JP6177369B2 - Method for producing metal particle aggregate - Google Patents

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本発明は、複数の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されてなる金属系粒子集合体を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a metal-based particle assembly in which a plurality of metal-based particles are two-dimensionally arranged apart from each other.

金属粒子をナノサイズにまで微細化すると、バルク状態では見られなかった機能を発現するようになることが従来知られており、なかでも応用が期待されているのが「局在プラズモン共鳴」である。プラズモンとは、金属ナノ構造体中の自由電子の集団的な振動によって生起する自由電子の粗密波のことである。   It has been known that when metal particles are miniaturized to nano-size, functions that were not seen in the bulk state will be developed. Among them, the application is expected to be “localized plasmon resonance”. is there. Plasmon is a free-electron rough wave generated by collective oscillation of free electrons in a metal nanostructure.

近年、上記プラズモンを扱う技術分野は、「プラズモニクス」と呼ばれ大きな注目を集めているとともに活発な研究が行なわれており、かかる研究は金属ナノ粒子の局在プラズモン共鳴現象を利用した発光素子の発光効率向上や、光電変換素子(太陽電池素子等)の変換効率向上を目的とするものを含む。   In recent years, the above-mentioned technical field dealing with plasmons is called “plasmonics” and has attracted a great deal of attention and has been actively researched. Such research has been conducted on light-emitting elements using localized plasmon resonance phenomenon of metal nanoparticles. Including those intended to improve luminous efficiency and conversion efficiency of photoelectric conversion elements (solar cell elements, etc.).

たとえば特許文献1〜3には、局在プラズモン共鳴現象を利用して蛍光を増強させる技術が開示されている。また非特許文献1には、銀ナノ粒子による局在プラズモン共鳴に関する研究が示されている。   For example, Patent Documents 1 to 3 disclose techniques for enhancing fluorescence using a localized plasmon resonance phenomenon. Non-Patent Document 1 shows a study on localized plasmon resonance by silver nanoparticles.

特開2007−139540号公報JP 2007-139540 A 特開平08−271431号公報JP 08-271431 A 国際公開第2005/033335号International Publication No. 2005/033335

T. Fukuura and M. Kawashaki, "Long Range Enhancement of Molecular Fluorescence by Closely Packed Submicro-scale Ag Islands", e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 2009, 7, 653T. Fukuura and M. Kawashaki, "Long Range Enhancement of Molecular Fluorescence by Closely Packed Submicro-scale Ag Islands", e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 2009, 7, 653

上記特許文献1は、互いに独立する多数の平板状金属粒子(蛍光増強素子)を基板上に形成する方法として、所定の膜堆積速度でDCスパッタリングを行ない、平板状の銀粒子を堆積させる方法を開示する。上記特許文献2は、蒸着によって金属の島(金属粒子)を基材上に形成し得ることを開示する。   Patent Document 1 discloses a method of depositing tabular silver particles by performing DC sputtering at a predetermined film deposition rate as a method of forming a large number of tabular metal particles (fluorescence enhancement elements) independent from each other on a substrate. Disclose. The said patent document 2 discloses that a metal island (metal particle) can be formed on a base material by vapor deposition.

上記特許文献3は、プラズモン共鳴を生起する複数の金属パッド(円筒型突起)を基材上に形成するための方法として、電子リソグラフィ技術の使用を開示する。上記非特許文献1は、互いに独立する多数の銀粒子からなる粒子集合体を基板上に形成する方法として、スパッタリングを行なう方法や、銀粒子分散液をスピンコーティングした後、熱処理(アニール)を行なう方法を開示する。   Patent Document 3 discloses the use of an electronic lithography technique as a method for forming a plurality of metal pads (cylindrical protrusions) that cause plasmon resonance on a substrate. In Non-Patent Document 1, as a method of forming a particle aggregate composed of a large number of independent silver particles on a substrate, a sputtering method or a heat treatment (annealing) is performed after spin coating a silver particle dispersion. A method is disclosed.

しかし、上記従来技術が開示するいずれの方法も、使用目的に応じた所望の形状(金属系粒子の形状およびその粒子間距離等)を有する金属系粒子集合体を制御良く製造することは困難であるか、または、不可能であった。   However, it is difficult for any of the methods disclosed in the above prior art to control a metal-based particle aggregate having a desired shape (the shape of the metal-based particles and the distance between the particles) according to the purpose of use with good control. There was or was not possible.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、使用目的に適した形状を有する金属系粒子集合体を制御良く製造することができる方法を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said subject, The objective is to provide the method which can manufacture the metal-type particle aggregate which has a shape suitable for the intended purpose with sufficient control.

本発明は以下のものを含む。
[1] 平均厚みが50nm以下である金属系膜を基板上に形成する金属系膜形成工程と、
熱処理によって前記金属系膜を、複数の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されてなる金属系粒子集合体へ形態変化させる金属系粒子集合体形成工程と、
を含む金属系粒子集合体の製造方法。
The present invention includes the following.
[1] A metal film forming step of forming a metal film having an average thickness of 50 nm or less on a substrate;
A metal-based particle assembly forming step of changing the shape of the metal-based film into a metal-based particle assembly in which a plurality of metal-based particles are two-dimensionally arranged apart from each other by heat treatment;
The manufacturing method of the metal-type particle aggregate containing this.

[2] 前記熱処理の温度が280℃以上である[1]に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   [2] The method for producing a metal-based particle assembly according to [1], wherein the temperature of the heat treatment is 280 ° C. or higher.

[3] 前記金属系膜形成工程は、前記金属系膜を構成する金属系材料からなる粒子を含有する塗布液を前記基板上に塗布する工程を含む[1]または[2]に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   [3] The metal according to [1] or [2], wherein the metal-based film forming step includes a step of applying a coating liquid containing particles made of a metal-based material constituting the metal-based film on the substrate. A method for producing a particle assembly.

[4] 前記塗布液中の前記粒子の濃度が0.1〜7重量%である[3]に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   [4] The method for producing a metal-based particle assembly according to [3], wherein the concentration of the particles in the coating solution is 0.1 to 7% by weight.

[5] 前記金属系膜形成工程は、蒸着法によって前記金属系膜を前記基板上に形成する工程を含む[1]または[2]に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   [5] The method for producing a metal-based particle assembly according to [1] or [2], wherein the metal-based film forming step includes a step of forming the metal-based film on the substrate by a vapor deposition method.

[6] 前記金属系膜形成工程と、これに続く前記金属系粒子集合体形成工程とを含む一連の工程を2回以上繰り返して行なう[1]〜[5]のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。   [6] The metal system according to any one of [1] to [5], wherein a series of steps including the metal film formation step and the metal particle aggregate formation step subsequent thereto are repeated twice or more. A method for producing a particle assembly.

[7] 前記金属系粒子集合体は、30個以上の前記金属系粒子を含み、
前記金属系粒子は、その平均粒径が200〜1600nmの範囲内、平均高さが55〜500nmの範囲内、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が1〜8の範囲内にあり、かつ、その隣り合う金属系粒子との平均距離(以下、「平均粒子間距離」ともいう。)が1〜150nmの範囲内となるように配置されている[1]〜[6]のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。
[7] The metal-based particle aggregate includes 30 or more metal-based particles,
The metal-based particles have an average particle diameter in the range of 200 to 1600 nm, an average height in the range of 55 to 500 nm, and an aspect ratio defined by a ratio of the average particle diameter to the average height of 1 to 8 And an average distance between adjacent metal particles (hereinafter also referred to as “average interparticle distance”) is in the range of 1 to 150 nm [1] to [6] The method for producing a metal-based particle assembly according to any one of [6].

[8] 前記金属系粒子集合体は、30個以上の前記金属系粒子を含み、
前記金属系粒子は、その平均粒径が200〜1600nmの範囲内、平均高さが55〜500nmの範囲内、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が1〜8の範囲内にあり、
前記金属系粒子集合体は、可視光領域における吸光スペクトルにおいて、前記平均粒径と同じ粒径、前記平均高さと同じ高さおよび同じ材質からなる金属系粒子を、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した参照金属系粒子集合体(X)と比べて、最も長波長側にあるピークの極大波長が30〜500nmの範囲で短波長側にシフトしている[1]〜[6]のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。
[8] The metal-based particle aggregate includes 30 or more metal-based particles,
The metal-based particles have an average particle diameter in the range of 200 to 1600 nm, an average height in the range of 55 to 500 nm, and an aspect ratio defined by a ratio of the average particle diameter to the average height of 1 to 8 In the range of
In the absorption spectrum in the visible light region, the metal-based particle aggregate is a metal particle composed of the same particle size, the same height as the average height, and the same material as the average particle diameter. Compared to the reference metal-based particle aggregate (X) arranged to be in the range of 1 to 2 μm, the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side is shifted to the short wavelength side in the range of 30 to 500 nm. [1] A method for producing a metal-based particle assembly according to any one of [6].

[9] 前記金属系粒子集合体は、30個以上の前記金属系粒子を含み、
前記金属系粒子は、その平均粒径が200〜1600nmの範囲内、平均高さが55〜500nmの範囲内、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が1〜8の範囲内にあり、
前記金属系粒子集合体は、可視光領域における吸光スペクトルにおいて、前記平均粒径と同じ粒径、前記平均高さと同じ高さおよび同じ材質からなる金属系粒子を、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した参照金属系粒子集合体(Y)よりも、同じ金属系粒子数での比較において、最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度が高い[1]〜[6]のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。
[9] The metal-based particle aggregate includes 30 or more metal-based particles,
The metal-based particles have an average particle diameter in the range of 200 to 1600 nm, an average height in the range of 55 to 500 nm, and an aspect ratio defined by a ratio of the average particle diameter to the average height of 1 to 8 In the range of
In the absorption spectrum in the visible light region, the metal-based particle aggregate is a metal particle composed of the same particle size, the same height as the average height, and the same material as the average particle diameter. Compared with the same number of metal particles, the absorbance at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side is higher than that of the reference metal particle aggregate (Y) arranged to be in the range of 1 to 2 μm [1. ] The manufacturing method of the metal type particle aggregate in any one of [6].

[10] 前記金属系粒子が貴金属からなる[1]〜[9]のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。   [10] The method for producing a metal-based particle assembly according to any one of [1] to [9], wherein the metal-based particles are made of a noble metal.

[11] 前記金属系粒子が銀からなる[10]に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   [11] The method for producing a metal-based particle assembly according to [10], wherein the metal-based particles are made of silver.

本発明の製造方法によれば、使用目的に応じた所望の形状(金属系粒子の形状およびその平均粒子間距離等)を有する金属系粒子集合体を制御良く製造することができる。   According to the production method of the present invention, a metal-based particle aggregate having a desired shape (the shape of the metal-based particles and the average distance between the particles) according to the purpose of use can be manufactured with good control.

本発明の製造方法によれば、金属系粒子集合体の形状制御性に優れるため、発光素子〔有機EL(エレクトロルミネッセンス)素子、無機EL素子、無機LED(ライトエミッティングダイオード)素子、量子ドット発光素子等〕の発光効率や光電変換素子(太陽電池素子等)の変換効率を従来と比較して顕著に向上させ得る光学素子の増強要素を提供することができる。   According to the manufacturing method of the present invention, since the shape controllability of the metal-based particle aggregate is excellent, a light-emitting element [organic EL (electroluminescence) element, inorganic EL element, inorganic LED (light emitting diode) element, quantum dot light emission It is possible to provide an optical element enhancement element that can significantly improve the luminous efficiency of the element and the like and the conversion efficiency of the photoelectric conversion element (solar cell element and the like) as compared to the conventional one.

本発明の金属系粒子集合体の製造方法が備える金属系膜形成工程および金属系粒子集合体形成工程を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the metal type film formation process with which the manufacturing method of the metal type particle assembly of this invention and a metal type particle assembly formation process are equipped. 実施例1で得られた金属系粒子集合体1−1のAFM画像である。2 is an AFM image of the metal-based particle assembly 1-1 obtained in Example 1. 実施例1で得られた金属系粒子集合体1−2を直上から見たときのSEM画像(10000倍および50000倍スケール)である。It is a SEM image (10000 time and 50000 times scale) when the metallic particle assembly 1-2 obtained in Example 1 is seen from right above. 実施例1で得られた金属系粒子集合体1−2のAFM画像である。2 is an AFM image of the metal-based particle assembly 1-2 obtained in Example 1. 実施例1で得られた金属系粒子集合体1−3のAFM画像である。2 is an AFM image of the metal-based particle assembly 1-3 obtained in Example 1. 実施例1で得られた金属系粒子集合体1−2の吸光スペクトルである。2 is an absorption spectrum of the metal-based particle aggregate 1-2 obtained in Example 1. 参照金属系粒子集合体の製造方法を示す概略フロー図である。It is a schematic flowchart which shows the manufacturing method of a reference metal type particle aggregate. 参照金属系粒子集合体を直上から見たときのSEM画像(20000倍および50000倍スケール)である。It is a SEM image (20000 times and 50000 times scale) when a reference metal type particle aggregate is seen from right above. 顕微鏡の対物レンズ(100倍)を用いた吸光スペクトル測定方法を説明する図である。It is a figure explaining the absorption-spectrum measuring method using the objective lens (100 times) of a microscope. 実施例2で得られた金属系粒子集合体2のAFM画像である。3 is an AFM image of a metal-based particle assembly 2 obtained in Example 2. 実施例4で得られた金属系粒子集合体4を直上から見たときのSEM画像(10000倍スケール)である。It is a SEM image (10000 time scale) when the metallic particle assembly 4 obtained in Example 4 is viewed from directly above. 実施例4で得られた金属系粒子集合体4のAFM画像である。6 is an AFM image of the metal-based particle assembly 4 obtained in Example 4. 実施例2〜4で得られた金属系粒子集合体2〜4の吸光スペクトルである。It is an absorption spectrum of the metal type particle aggregates 2-4 obtained in Examples 2-4. 図14(a)は光励起発光素子の発光スペクトルの測定系を示す模式図であり、図14(b)は金属系粒子集合体および絶縁層を有する光励起発光素子を示す断面模式図である。FIG. 14A is a schematic diagram showing a measurement system for an emission spectrum of a photoexcited light emitting device, and FIG. 14B is a schematic cross-sectional view showing a photoexcited light emitting device having a metal particle aggregate and an insulating layer. 実施例5−1〜5−4の光励起発光素子における発光増強効果を示す図である。It is a figure which shows the light emission enhancing effect in the light excitation light emitting element of Examples 5-1 to 5-4. 実施例6で得られた金属系粒子集合体6のAFM画像である。6 is an AFM image of a metal-based particle assembly 6 obtained in Example 6. 実施例7で得られた金属系粒子集合体7のAFM画像である。6 is an AFM image of a metal-based particle assembly 7 obtained in Example 7. 実施例6および7で得られた金属系粒子集合体6および7の吸光スペクトルである。4 is an absorption spectrum of metal-based particle aggregates 6 and 7 obtained in Examples 6 and 7. 比較例1で得られた銀膜H1のAFM画像である。2 is an AFM image of a silver film H1 obtained in Comparative Example 1. 比較例2で得られた銀膜H2のAFM画像である。6 is an AFM image of a silver film H2 obtained in Comparative Example 2. 比較例1および2で得られた銀膜H1、H2の吸光スペクトルである。4 is an absorption spectrum of silver films H1 and H2 obtained in Comparative Examples 1 and 2. 実施例8で得られた金属系粒子集合体8のAFM画像である。6 is an AFM image of the metal-based particle assembly 8 obtained in Example 8. 比較例3で得られた銀膜H3のAFM画像である。6 is an AFM image of a silver film H3 obtained in Comparative Example 3. 実施例8、比較例3で得られた金属系粒子集合体8、銀膜H3の吸光スペクトルである。It is an absorption spectrum of the metal type particle aggregate 8 and the silver film H3 obtained in Example 8 and Comparative Example 3.

<金属系粒子集合体の製造方法>
本発明は、金属系粒子集合体を製造するための方法に関する。本発明において「金属系粒子集合体」とは、複数の金属系粒子(金属系材料からなる粒子)の集合体であって、これら複数の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されているものをいう。本発明の製造方法によれば、従来の方法と異なり、使用目的に応じた所望の形状(金属系粒子の形状およびその平均粒子間距離等)を有する金属系粒子集合体を制御良く製造することができる。
<Method for producing metal-based particle assembly>
The present invention relates to a method for producing a metal-based particle aggregate. In the present invention, the “metal-based particle aggregate” is an aggregate of a plurality of metal-based particles (particles made of a metal-based material), and the plurality of metal-based particles are two-dimensionally arranged apart from each other. Say what you are. According to the production method of the present invention, unlike a conventional method, a metal-based particle aggregate having a desired shape (the shape of the metal-based particles and the average interparticle distance, etc.) according to the purpose of use can be manufactured with good control. Can do.

上記金属系粒子の「形状」とは、金属系粒子集合体を構成する金属系粒子の「平均粒径」、「平均高さ」および「アスペクト比」をいう。金属系粒子の「平均粒径」、「平均高さ」、「アスペクト比」および「平均粒子間距離」の定義については後述する。   The “shape” of the metal-based particles refers to “average particle diameter”, “average height”, and “aspect ratio” of the metal-based particles constituting the metal-based particle aggregate. The definitions of “average particle diameter”, “average height”, “aspect ratio” and “average interparticle distance” of the metal-based particles will be described later.

本発明の金属系粒子集合体の製造方法は、次の工程:
(A)平均厚みが50nm以下である金属系膜を基板上に形成する金属系膜形成工程、および
(B)熱処理によって上記金属系膜を金属系粒子集合体へ形態変化させる金属系粒子集合体形成工程
を含む。以下、図1を参照しながら各工程について詳細に説明する。
The method for producing a metal-based particle assembly of the present invention includes the following steps:
(A) a metal-based film forming step of forming a metal-based film having an average thickness of 50 nm or less on a substrate; and (B) a metal-based particle aggregate that changes the shape of the metal-based film into a metal-based particle aggregate by heat treatment. Forming step. Hereinafter, each step will be described in detail with reference to FIG.

(A)金属系膜形成工程
図1(a)は本工程を説明するための概略断面図であり、図1(b)および(c)は次工程の金属系粒子集合体形成工程(B)を説明するための概略断面図である。図1(a)を参照して、本工程は、平均厚みが50nm以下である金属系膜250(金属系材料からなる膜)を基板100上に形成する工程である。ここでいう「平均厚み」とは、先の尖った物(ピンセット、針等)で金属系膜250の外側表面に基板100まで至る剥離線(傷)を設け、この剥離線における金属系膜250の断面および金属系膜250と基板100との界面を含むAFM画像を取得し、このAFM画像に基づいて基板100の金属系膜250側表面から金属系膜250の外側表面までの距離を無作為に10点求めたときの、これら10点の平均値である。
(A) Metal-based film forming step FIG. 1 (a) is a schematic cross-sectional view for explaining this step, and FIGS. 1 (b) and (c) are metal-based particle aggregate forming steps (B) in the next step. It is a schematic sectional drawing for demonstrating. Referring to FIG. 1A, this step is a step of forming on the substrate 100 a metal film 250 (film made of a metal material) having an average thickness of 50 nm or less. Here, the “average thickness” is a pointed object (tweezers, needle, etc.) provided with a peeling line (scratch) reaching the substrate 100 on the outer surface of the metallic film 250, and the metallic film 250 at this peeling line. An AFM image including the cross section of the substrate 100 and the interface between the metal film 250 and the substrate 100 is acquired, and the distance from the metal film 250 side surface of the substrate 100 to the outer surface of the metal film 250 is randomly selected based on the AFM image. The average value of these 10 points when 10 points are obtained.

次工程の金属系粒子集合体形成工程(B)によって金属系膜250を全領域にわたって実質的に完全に金属系粒子集合体へと形態変化させるためには、金属系膜250の平均厚みを50nm以下にすることが必要である。金属系膜250の平均厚みは、好ましく40nm以下であり、より好ましくは30nm以下、さらに好ましくは20nm以下である。金属系膜250の平均厚みが50nmを超える場合には、金属系粒子集合体形成工程(B)における熱処理温度等によっては、部分的に金属系粒子集合体に形態変化させることができることもあるが、少なくとも大部分が連続膜となってしまい、金属系膜250をその全領域にわたって金属系粒子集合体に変換することは困難である。金属系粒子集合体形成工程(B)での熱処理温度にもよるが、一般的に、金属系膜250の平均厚みが大きいほど、平均粒径および平均高さがより大きい金属系粒子からなる金属系粒子集合体が得られる。   In order to change the shape of the metal-based film 250 into the metal-based particle aggregate substantially completely over the entire region by the metal-based particle aggregate formation step (B) in the next step, the average thickness of the metal-based film 250 is set to 50 nm. It is necessary to: The average thickness of the metal film 250 is preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, and still more preferably 20 nm or less. When the average thickness of the metal-based film 250 exceeds 50 nm, depending on the heat treatment temperature or the like in the metal-based particle assembly forming step (B), the shape may be partially changed into the metal-based particle assembly. At least most of the film becomes a continuous film, and it is difficult to convert the metal film 250 into a metal particle aggregate over the entire region. Although depending on the heat treatment temperature in the metal-based particle assembly forming step (B), generally, the larger the average thickness of the metal-based film 250, the larger the average particle diameter and the higher the average metal height. A system particle aggregate is obtained.

好ましい金属系膜250の平均厚みが40nm以下であり、より好ましい平均厚みが30nm以下であり、さらに好ましい平均厚みが20nm以下であるのは、所定の形状(金属系粒子の形状およびその平均粒子間距離等)を有することによって従来と比較して極めて強いプラズモン共鳴を示す等の特異的な特性を有し、発光素子や光電変換素子等を含む光学素子の増強要素として好適な金属系粒子集合体を制御良く形成することができるためである。   The average thickness of the preferable metal-based film 250 is 40 nm or less, the more preferable average thickness is 30 nm or less, and the more preferable average thickness is 20 nm or less. The metal-based particle aggregate having specific characteristics such as exhibiting extremely strong plasmon resonance as compared with the prior art by having a distance, etc., and suitable as an enhancement element for optical elements including light-emitting elements and photoelectric conversion elements This is because it can be formed with good control.

金属系膜250の平均厚みの下限値に特に制限はないが、上記のような光学素子の増強要素として好適な金属系粒子集合体が有する所定の形状(金属粒子の平均粒径200〜1600nm、平均高さ55〜500nm、アスペクト比1〜8、さらには平均粒子間距離1〜150nm。なお、これらの形状特性については後で詳述する。)を達成するためには、5nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましく、15nm以上がさらに好ましい。ただし、金属系膜形成工程(A)および金属系粒子集合体形成工程(B)を含む一連の工程を2回以上繰り返すことにより、金属系粒子集合体を製造する場合には、各回における金属系膜250の平均厚みの下限値は上記好ましい下限値より小さくてもよい。   The lower limit value of the average thickness of the metal film 250 is not particularly limited, but a predetermined shape (average particle diameter of metal particles 200 to 1600 nm, which the metal particle aggregate suitable as an enhancement element of the optical element as described above has, In order to achieve an average height of 55 to 500 nm, an aspect ratio of 1 to 8, and an average inter-particle distance of 1 to 150 nm. 10 nm or more is more preferable, and 15 nm or more is more preferable. However, when producing a metal-based particle assembly by repeating a series of steps including the metal-based film forming step (A) and the metal-based particle assembly forming step (B) twice or more, the metal system in each round The lower limit value of the average thickness of the film 250 may be smaller than the preferable lower limit value.

基板100上に金属系膜250を形成する方法の好ましい一例は、金属系膜250を構成する金属系材料と同じ材料からなる粒子(以下、この粒子を金属系粒子集合体を構成する「金属系粒子」と区別して、単に「粒子」ともいう。)を含有する塗布液を塗布する方法である。塗布液は、典型的には上記粒子が溶剤中に分散された分散液である。塗布液が溶剤を含有する場合など、塗布膜は必要に応じて工程(B)の前に乾燥される。   A preferred example of a method of forming the metal film 250 on the substrate 100 is a particle made of the same material as the metal material constituting the metal film 250 (hereinafter, this particle is used to form a metal particle aggregate “metal system”). This is a method of applying a coating solution containing “particles” to distinguish from “particles”. The coating solution is typically a dispersion in which the above particles are dispersed in a solvent. When the coating solution contains a solvent, the coating film is dried before the step (B) as necessary.

塗布液の塗布方法は、たとえば、スピンコート法、バーコート法、グラビアコート法、マイクログラビアコート法、ロールコート法、ロッドコート法、ナイフコート法、エアーナイフコート法、キスコート法、ダイコート法等の従来公知の方法であってよいが、なかでも得られる金属系膜250の膜厚均一性が高いという観点からは、スピンコート法が好ましい。一方、ロール成膜が可能であり生産性に優れるという観点では、グラビアコート法等のウェブコート法が好ましい。塗布液の塗布は、必要に応じて(たとえば所望の平均厚みを達成するために)2回以上行なってもよい。   Examples of the application method of the coating liquid include spin coating, bar coating, gravure coating, micro gravure coating, roll coating, rod coating, knife coating, air knife coating, kiss coating, and die coating. Although it may be a conventionally known method, the spin coating method is preferable from the viewpoint of the high uniformity of the film thickness of the metal film 250 obtained. On the other hand, a web coating method such as a gravure coating method is preferable from the viewpoint that roll film formation is possible and productivity is excellent. The coating solution may be applied two or more times as necessary (for example, to achieve a desired average thickness).

上述のように塗布液は、典型的には上記粒子および溶剤を含むものである。塗布液としては、市販品を用いることができるほか、これに界面活性剤等の添加剤を加えたり、希釈溶剤を加えたりするなどの調整を加えたものを使用することもできる。勿論、粒子および任意で加えられる添加剤を溶剤に加えて調製した分散液を塗布液として用いてもよい。溶剤としては、各種の有機溶剤、水等の水性溶剤またはこれらの混合物を用いることができる。粒子は金属系膜250を構成する金属系材料を含む限り特に制限はなく、表面処理等の修飾がなされているものであってもよいが、何らの修飾を行なっていない上記金属系材料のみからなるものであってよい。本発明の方法は、何らの修飾を行なっていない通常の粒子(例えば、一般的市販されている何らの修飾を行なっていない粒子の分散液)を利用できる点でも有利である。   As described above, the coating solution typically contains the particles and the solvent. As the coating solution, a commercially available product can be used, or a solution obtained by adding an additive such as a surfactant or a diluent solvent to the product can be used. Of course, a dispersion prepared by adding the particles and optionally added additives to the solvent may be used as the coating solution. As the solvent, various organic solvents, aqueous solvents such as water, or a mixture thereof can be used. The particles are not particularly limited as long as the particles include the metal-based material constituting the metal-based film 250 and may be modified such as surface treatment, but only from the metal-based material not subjected to any modification. It may be. The method of the present invention is also advantageous in that normal particles without any modification (for example, dispersions of particles that are generally not commercially available without any modification) can be used.

塗布液に含有される上記粒子の平均粒径は、通常1〜50nmであり、より典型的には1〜40nmであり、好ましくは1〜20nmである。1〜50nmの範囲内であれば、塗布液中の上記粒子の濃度にもよるが、平均厚み50nm以下の金属系膜250が得られやすい。なお、粒子の平均粒径が50nmを超える場合であっても、平均厚み50nm以下の金属系膜250を得ることは可能であるので、平均粒径が50nmを超える粒子も使用し得る。   The average particle diameter of the particles contained in the coating solution is usually 1 to 50 nm, more typically 1 to 40 nm, and preferably 1 to 20 nm. Within the range of 1 to 50 nm, although depending on the concentration of the particles in the coating solution, a metal film 250 having an average thickness of 50 nm or less is easily obtained. Note that even when the average particle diameter of the particles exceeds 50 nm, it is possible to obtain the metal-based film 250 having an average thickness of 50 nm or less. Therefore, particles having an average particle diameter exceeding 50 nm can also be used.

塗布液中の上記粒子の濃度は、0.1〜7重量%であることが好ましい。粒子濃度が7重量%を超えると、上で例示した通常の塗布方法で塗布液を塗布する場合、粒子の平均粒径および塗布方法(スピンコート法やバーコート法等の塗布方法の種類、および、スピンコート法における回転数やロールコート法にライン速度等の塗布条件を含む。)にもよるが、1回の塗布でも平均厚みが50nmを超えてしまう傾向にある。粒子濃度の上限値は、より好ましくは5重量%である。粒子濃度0.1〜7重量%の塗布液を使用することは、塗布液の塗布領域全体にわたって、極端な塗布過剰部分や塗布不足部分を生じさせることなく略均等に塗布液を塗布できる点でも好ましい。このことは、金属系膜250が全領域にわたって金属系粒子集合体に変換されることをより確実にする。   The concentration of the particles in the coating solution is preferably 0.1 to 7% by weight. When the particle concentration exceeds 7% by weight, when the coating solution is applied by the usual application method exemplified above, the average particle size of the particles and the application method (the type of application method such as spin coating method and bar coating method, and Depending on the number of revolutions in the spin coating method and the coating method such as the line speed in the roll coating method, the average thickness tends to exceed 50 nm even with a single coating. The upper limit of the particle concentration is more preferably 5% by weight. The use of a coating liquid having a particle concentration of 0.1 to 7% by weight also allows the coating liquid to be applied substantially evenly over the entire coating liquid coating area without causing an excessively excessively applied portion or an insufficiently coated portion. preferable. This further ensures that the metal film 250 is converted into a metal particle aggregate over the entire region.

一方、粒子濃度が極端に低い場合には、金属系膜250の密度が極端に疎となり、1回の塗布では基板上に担持できる金属系材料の量が小さくなるため、金属系粒子が密に配置された金属系粒子集合体が得られにくい。したがって、金属系粒子が密に配置されており(たとえば平均粒子間距離1〜150nm)、従来と比較して極めて強いプラズモン共鳴を示す等の特異的な特性を有する金属系粒子集合体を得るためには、粒子濃度は、上述のように0.1重量%以上であることが好ましい。ただし、金属系膜形成工程(A)において2回以上塗布液を塗布する場合や、金属系膜形成工程(A)および金属系粒子集合体形成工程(B)を含む一連の工程を2回以上繰り返すことにより、金属系粒子集合体を製造する場合には、各回における塗布液の粒子濃度は、0.1重量%未満とし得る。   On the other hand, when the particle concentration is extremely low, the density of the metal-based film 250 is extremely sparse, and the amount of the metal-based material that can be supported on the substrate is reduced by one coating, so that the metal-based particles are densely packed. It is difficult to obtain an arranged metal-based particle aggregate. Accordingly, in order to obtain a metal particle aggregate having specific characteristics such as dense arrangement of metal particles (for example, an average interparticle distance of 1 to 150 nm) and exhibiting extremely strong plasmon resonance as compared with the prior art. The particle concentration is preferably 0.1% by weight or more as described above. However, in the case of applying the coating solution twice or more in the metal-based film forming step (A), or a series of steps including the metal-based film forming step (A) and the metal-based particle aggregate forming step (B) twice or more. By repeating, when manufacturing a metal-type particle aggregate, the particle concentration of the coating liquid at each time may be less than 0.1% by weight.

塗布液の粒子濃度は、より好ましくは0.25重量%以上であり、さらに好ましくは0.8重量%以上である。これは、1つの金属系膜形成工程(A)における塗布液の塗布の繰り返し回数や、金属系膜形成工程(A)および金属系粒子集合体形成工程(B)を含む一連の工程の繰り返し回数が少なくても(たとえば2回程度でも)、金属系粒子が密に配置された金属系粒子集合体、さらには、高いプラズモン共鳴効果を示す光学素子の増強要素として極めて好適な金属系粒子集合体を得ることができるためである。塗布の繰り返し回数や上記一連の工程の繰り返し回数を少なくすることは金属系膜250の膜厚均一性にも有利である。   The particle concentration of the coating solution is more preferably 0.25% by weight or more, and further preferably 0.8% by weight or more. This is the number of repetitions of application of the coating liquid in one metal-based film formation step (A), and the number of repetitions of a series of steps including the metal-based film formation step (A) and the metal-based particle aggregate formation step (B). Metal particle aggregate in which metal particles are densely arranged, and further, a metal particle aggregate extremely suitable as an enhancement element of an optical element exhibiting a high plasmon resonance effect It is because it can be obtained. Reducing the number of repetitions of application and the number of repetitions of the above-described series of steps is advantageous for the film thickness uniformity of the metal-based film 250.

一方、塗布方法としてウェブコート法を採用する場合には、平均厚み50nm以下の均一な金属系膜250を成膜しやすいことから、塗布液の粒子濃度は、0.15重量%以下とすることがより好ましい。   On the other hand, when the web coating method is adopted as the coating method, it is easy to form a uniform metal film 250 having an average thickness of 50 nm or less, so the particle concentration of the coating solution should be 0.15 wt% or less. Is more preferable.

上述のように本発明では、使用目的に応じた所望の形状(金属系粒子の形状およびその平均粒子間距離等)を有する金属系粒子集合体を制御良く製造するためには金属系膜250の平均厚みを所定の厚み以下にすることが肝要である。そしてこの所定の平均厚みを達成するための塗布方法として本発明では上で列挙したような種々の塗布方法を採用することができる。塗布液の粒子濃度は、塗布方法に応じて所定の平均厚みが達成できるよう適切に選択される。換言すれば、塗布液のある特定の粒子濃度がある塗布方法に不適であったとしても、本発明では他の塗布方法を採用することによりこの塗布液を用いて所望の形状を有する金属系粒子集合体を制御良く製造することができる。また、ウェブコーティング等の生産性の高い塗布方法が採用可能である点でも本発明の方法は有利である。   As described above, in the present invention, in order to manufacture a metal-based particle aggregate having a desired shape according to the purpose of use (the shape of the metal-based particles and the average distance between the particles, etc.) with good control, It is important to set the average thickness to a predetermined thickness or less. And as a coating method for achieving this predetermined average thickness, various coating methods as listed above can be adopted in the present invention. The particle concentration of the coating solution is appropriately selected according to the coating method so that a predetermined average thickness can be achieved. In other words, even if a specific particle concentration of the coating liquid is unsuitable for a coating method, metal particles having a desired shape using this coating liquid by adopting another coating method in the present invention. The assembly can be manufactured with good control. The method of the present invention is also advantageous in that a highly productive coating method such as web coating can be employed.

基板100上に金属系膜250を形成する方法の好ましい他の一例は、金属系材料の蒸気を基板100上に蒸着させる蒸着法である。この場合、蒸着速度や蒸着時間等の調整により、平均厚み50nm以下の金属系膜250を得ることができる。好ましい平均厚みは上記と同様である。   Another preferred example of the method for forming the metal-based film 250 on the substrate 100 is a vapor deposition method in which vapor of a metal-based material is deposited on the substrate 100. In this case, the metal film 250 having an average thickness of 50 nm or less can be obtained by adjusting the deposition rate, the deposition time, and the like. The preferred average thickness is the same as above.

基板100上に金属系膜250を形成するための方法として、スパッタリング法やメッキ法等を用いることもできる。   As a method for forming the metal film 250 on the substrate 100, a sputtering method, a plating method, or the like can be used.

金属系粒子集合体の金属系粒子を構成する金属系材料(金属系膜250を構成する金属系材料)は、ナノ粒子またはその集合体としたときに、吸光光度法による吸光スペクトル測定において紫外〜可視領域に現れるプラズモン共鳴ピーク(以下、「プラズモンピークともいう。)を示す材料であることが好ましく、たとえば、金、銀、銅、白金、パラジウム等の貴金属や、アルミニウム、タンタル等の金属;該貴金属または金属を含有する合金;該貴金属または金属を含む金属化合物(金属酸化物や金属塩等)を挙げることができる。これらのなかでも、金、銀、銅、白金、パラジウム等の貴金属が好ましく、安価で吸収が小さい(可視光波長において誘電関数の虚部が小さい)という観点からは銀であることがより好ましい。ただし、金属系材料の種類は、金属系粒子集合体の用途(たとえば、金属系粒子集合体を、そのプラズモン共鳴効果を利用して光学素子の増強要素として適用する場合における光学素子の種類等)、および、増強される光学素子の活性層の吸光スペクトルピーク波長、発光スペクトルピーク波長、反射スペクトルピーク波長等に応じて適切に選択することが好ましい。   When the metal-based material constituting the metal-based particles of the metal-based particle aggregate (metal-based material composing the metal-based film 250) is a nanoparticle or an aggregate thereof, the absorption spectrum measurement using an absorptiometry is performed in the ultraviolet to A material that exhibits a plasmon resonance peak (hereinafter also referred to as a “plasmon peak”) that appears in the visible region is preferable. For example, a noble metal such as gold, silver, copper, platinum, or palladium, or a metal such as aluminum or tantalum; Examples of the noble metal or metal-containing alloy include metal compounds (metal oxides, metal salts, etc.) containing the noble metal or metal, among which noble metals such as gold, silver, copper, platinum, and palladium are preferable. From the viewpoint of low cost and low absorption (small imaginary part of dielectric function at visible light wavelength), silver is more preferable. The type of material is the use of the metal particle aggregate (for example, the type of the optical element when the metal particle aggregate is applied as an enhancement element of the optical element using the plasmon resonance effect), and the enhancement It is preferable to select appropriately according to the absorption spectrum peak wavelength, emission spectrum peak wavelength, reflection spectrum peak wavelength, etc. of the active layer of the optical element.

基板100を構成する材料は広範な中から選択することができるが、とりわけ金属系粒子集合体が積層された基板(以下、「金属系粒子集合体積層基板」ともいう。)をそのプラズモン共鳴効果を利用して光学素子の増強要素として適用する場合には、非導電性材料からなる基板を用いることが好ましい。これは、基板を介して一部もしくは全ての金属系粒子間で電子の授受が可能であると、プラズモン共鳴効果が低減するためである。非導電性材料としては、ガラス、各種無機絶縁材料(SiO2、ZrO2、マイカ等)、各種プラスチック材料などを挙げることができる。金属系膜250を形成する基板100の表面は、できるだけ平滑であることが好ましい。 The material constituting the substrate 100 can be selected from a wide range, and in particular, a substrate on which metal-based particle assemblies are stacked (hereinafter also referred to as “metal-based particle assembly stacked substrate”) has its plasmon resonance effect. When using as a reinforcing element for an optical element, it is preferable to use a substrate made of a non-conductive material. This is because the plasmon resonance effect is reduced when electrons can be transferred between some or all of the metal-based particles via the substrate. Examples of non-conductive materials include glass, various inorganic insulating materials (SiO 2 , ZrO 2 , mica, etc.), various plastic materials, and the like. The surface of the substrate 100 on which the metal film 250 is formed is preferably as smooth as possible.

また、金属系粒子集合体積層基板を、たとえば発光素子の増強要素として適用する場合には、基板表面(金属系粒子集合体とは反対側の面)からの光取り出しが可能になることから、透光性を有する基板を用いることが好ましく、光学的に透明な基板を用いることがより好ましい。   In addition, when the metal-based particle assembly laminated substrate is applied as, for example, an enhancement element of a light-emitting element, light can be extracted from the substrate surface (surface opposite to the metal-based particle assembly). It is preferable to use a light-transmitting substrate, and it is more preferable to use an optically transparent substrate.

以上で説明したような方法によって基板100上に形成された金属系膜250の外表面は、完全な平坦になっている訳ではなく、ある程度の凹凸形状を有している(図1(a)参照)。   The outer surface of the metal-based film 250 formed on the substrate 100 by the method described above is not completely flat but has a certain uneven shape (FIG. 1A). reference).

(B)金属系粒子集合体形成工程
図1(b)および(c)を参照して、本工程は、平均厚みが50nm以下である金属系膜250を熱処理(アニール)することにより、これを金属系粒子集合体200へ形態変化させる工程である。この工程により、主要な形態変化として、金属系膜250の表面領域255(この表面領域は、典型的には熱により金属酸化物となっている。)が熱分解され(図1(b)参照)、金属系膜250の表面凹凸の谷部分で金属系膜250が断絶する形態変化が生じて、互いに独立して配置された複数の金属系粒子201からなる金属系粒子集合体200が形成される(図1(c)参照)。また、このような主要な形態変化とともに、1)金属系膜250が断絶する前の段階における、熱を受けた金属系膜250の表面形状が変化する形態変化、2)形成された金属系粒子201が隣接する金属系粒子201と合体して粒子成長する形態変化、3)形成された金属系粒子201の表面領域が熱分解して粒子逆成長(粒子の小型化)が生じる形態変化、等の副次的な形態変化も起こる。得られる金属系粒子集合体200の形状は、熱処理条件、より具体的には、熱処理条件に応じた主要な形態変化および副次的な形態変化の寄与度に依存する。
(B) Metal-based particle assembly forming step Referring to FIGS. 1B and 1C, this step is performed by heat-treating (annealing) a metal-based film 250 having an average thickness of 50 nm or less. This is a step of changing the shape to the metallic particle aggregate 200. By this step, as a main form change, the surface region 255 of the metal-based film 250 (this surface region is typically a metal oxide by heat) is thermally decomposed (see FIG. 1B). ), A shape change occurs where the metal film 250 is cut off at the valleys of the surface unevenness of the metal film 250, and the metal particle aggregate 200 composed of a plurality of metal particles 201 arranged independently of each other is formed. (See FIG. 1C). In addition to such major shape changes, 1) shape change in which the surface shape of the metal-based film 250 that has received heat changes before the metal-based film 250 is cut off, and 2) formed metal-based particles. Morphological change in which 201 merges with adjacent metal-based particles 201 and particle growth 3) Morphological change in which the surface region of the formed metal-based particle 201 is thermally decomposed to cause particle reverse growth (particle miniaturization), etc. There are also secondary morphological changes. The shape of the obtained metal-based particle aggregate 200 depends on the heat treatment conditions, more specifically, the contribution of the main shape change and the secondary shape change depending on the heat treatment conditions.

熱処理の温度は、280℃以上であることが好ましく、より好ましくは285℃以上である。また、熱処理の温度は、通常600℃以下であり、好ましくは580℃以下である。金属系膜250の表面領域255が熱分解し始める温度(たとえば表面領域が酸化銀からなる場合、150〜200℃程度)以上である場合には、上述の主要な形態変化および副次的な形態変化が生じ得る。しかし、熱処理温度が280℃未満である場合には、形態変化に長時間を要することがあったり、平均厚みが30nm未満の極めて薄い金属系膜250でしか形態変化を起こすことができないことがあったりするため、所望の形状を有する金属系粒子集合体が得られにくい傾向にある。   The temperature of the heat treatment is preferably 280 ° C. or higher, more preferably 285 ° C. or higher. Moreover, the temperature of heat processing is 600 degrees C or less normally, Preferably it is 580 degrees C or less. When the temperature is higher than the temperature at which the surface region 255 of the metal-based film 250 starts to thermally decompose (for example, about 150 to 200 ° C. when the surface region is made of silver oxide), the above-described main form change and secondary form Changes can occur. However, when the heat treatment temperature is less than 280 ° C., the shape change may take a long time, or the shape change may occur only with an extremely thin metal film 250 having an average thickness of less than 30 nm. Therefore, it tends to be difficult to obtain a metal particle aggregate having a desired shape.

熱処理の温度が600℃を超えると、互いに独立した金属系粒子201が形成された後に生じる上記3)の副次的な形態変化が顕著となって、基板100上から金属系粒子201が消失してしまいやすい。   When the temperature of the heat treatment exceeds 600 ° C., the secondary morphological change of the above 3) that occurs after the formation of the metal particles 201 independent from each other becomes remarkable, and the metal particles 201 disappear from the substrate 100. It is easy to end up.

熱処理温度の調整によって、使用目的に応じた所望の形状を有する金属系粒子集合体を製造することが可能である。たとえば、金属系膜250の平均厚みが30nm程度以下である場合には、約280〜約500℃の低温領域での熱処理および約500〜約600℃の高温領域での熱処理のいずれであっても、強いプラズモンピークを示す(高いプラズモン共鳴効果を示す)金属系粒子集合体を得ることが可能である。この際、熱処理温度が高いほど、平均粒径および平均高さがより大きい金属系粒子からなる金属系粒子集合体が得られる傾向にある。ただし、上記高温領域での熱処理においては、熱処理時間が過度に長い場合、互いに独立した金属系粒子201が形成された後に生じる上記3)の副次的な形態変化が顕著となって、最終的には基板100上から金属系粒子201が消失してしまうことがある。   By adjusting the heat treatment temperature, it is possible to produce a metal particle aggregate having a desired shape according to the purpose of use. For example, when the average thickness of the metal-based film 250 is about 30 nm or less, any of heat treatment in a low temperature region of about 280 to about 500 ° C. and heat treatment in a high temperature region of about 500 to about 600 ° C. It is possible to obtain a metal-based particle aggregate exhibiting a strong plasmon peak (showing a high plasmon resonance effect). At this time, as the heat treatment temperature is higher, a metal particle aggregate composed of metal particles having a larger average particle diameter and average height tends to be obtained. However, in the heat treatment in the high temperature region, if the heat treatment time is excessively long, the secondary shape change of 3) that occurs after the metal-based particles 201 independent from each other are formed becomes conspicuous. In some cases, the metal-based particles 201 may disappear from the substrate 100.

金属系膜250の平均厚みが30nm程度超50nm以下である場合には、約500〜約600℃の高温領域での熱処理により、強いプラズモンピークを示す(高いプラズモン共鳴効果を示す)金属系粒子集合体を得ることが可能である。金属系膜250の平均厚みが30nm程度超50μm以下である場合においても、熱処理温度が高いほど、平均粒径および平均高さがより大きい金属系粒子からなる金属系粒子集合体が得られる傾向にある。ただし、熱処理時間が過度に長い場合、互いに独立した金属系粒子201が形成された後に生じる上記3)の副次的な形態変化が顕著となって、最終的には基板100上から金属系粒子201が消失してしまうことがある。   When the average thickness of the metal film 250 is more than about 30 nm and less than 50 nm, a metal particle aggregate that exhibits a strong plasmon peak (shows a high plasmon resonance effect) by heat treatment in a high temperature region of about 500 to about 600 ° C. It is possible to get a body. Even when the average thickness of the metal-based film 250 is more than about 30 nm and not more than 50 μm, the higher the heat treatment temperature, the more likely the metal-based particle aggregate composed of metal-based particles having a larger average particle diameter and average height is obtained. is there. However, if the heat treatment time is excessively long, the secondary morphological change of the above 3) that occurs after the formation of the metal particles 201 independent from each other becomes significant, and finally the metal particles are formed on the substrate 100. 201 may disappear.

熱処理の時間は、通常数秒〜数時間であり、好ましくは10秒間〜1時間、より好ましくは30秒間〜30分間である。熱処理時間が過度に短い場合には、金属系粒子集合体への形態変化が不十分となり、過度に長い場合には、形態変化の完了に必要な時間を超えた熱処理の分、工程時間の浪費を招いたり、互いに独立した金属系粒子201が形成された後に生じる上記3)の副次的な形態変化が顕著となって、基板100上から金属系粒子201が消失したりすることがある。また、比較的高温での熱処理時間が過度に長い場合には、金属系膜250の平均厚みが同じであっても、上記3)の副次的な形態変化が顕著となる結果、金属系粒子201の平均粒子間距離が過度に大きくなるため、金属系粒子201が密に配置されることによって得られる強いプラズモン共鳴効果が得られにくくなる傾向にあり、また、基板100上に形成される金属系粒子201の数が後述する望ましい数(30個)より少なくなる場合には、この観点においても、強いプラズモン共鳴効果が得られにくくなる傾向にある。   The heat treatment time is usually several seconds to several hours, preferably 10 seconds to 1 hour, more preferably 30 seconds to 30 minutes. If the heat treatment time is excessively short, the shape change to the metal-based particle aggregate becomes insufficient, and if it is excessively long, the amount of heat treatment exceeding the time required to complete the shape change is wasted, and the process time is wasted. In some cases, the secondary morphological change of 3), which occurs after the metal particles 201 independent of each other are formed, becomes prominent, and the metal particles 201 may disappear from the substrate 100. In addition, when the heat treatment time at a relatively high temperature is excessively long, even if the average thickness of the metal-based film 250 is the same, the secondary shape change of the above 3) becomes remarkable. Since the average interparticle distance of 201 becomes excessively large, the strong plasmon resonance effect obtained by densely arranging the metal-based particles 201 tends to be difficult to obtain, and the metal formed on the substrate 100 When the number of the system particles 201 is smaller than a desirable number (30) described later, a strong plasmon resonance effect tends to be difficult to obtain from this viewpoint.

熱処理時の環境は特に制限されず、酸化雰囲気下、還元雰囲気下、真空雰囲気下、不活性ガス雰囲気下のいずれであってもよく、たとえば空気雰囲気下で行なうことができる。なかでも、酸化分解(金属酸化物の熱分解)による形態変化を好適に行なえるため、酸化雰囲気下、とりわけ空気雰囲気下が好ましい。   The environment during the heat treatment is not particularly limited, and may be any of an oxidizing atmosphere, a reducing atmosphere, a vacuum atmosphere, and an inert gas atmosphere. For example, it can be performed in an air atmosphere. Especially, since the form change by oxidative decomposition (thermal decomposition of a metal oxide) can be performed suitably, an oxidizing atmosphere, especially an air atmosphere is preferable.

本発明においては、金属系膜形成工程(A)と、これに続く金属系粒子集合体形成工程(B)とを含む一連の工程を2回以上繰り返して金属系粒子集合体を製造することも好ましい。このような方法によれば、金属系膜250を形成する金属系材料の供給とそれに続く熱処理による、金属系膜250の主要な形態変化および副次的な形態変化を繰り返すことで、金属系粒子を段階的に成長させることができるため、金属系粒子の平均粒径、平均高さ、アスペクト比および平均粒子間距離を、上記一連の工程を1回のみ行なうだけでは困難な範囲にまでわたってより制御しやすくなる。また、各金属系粒子集合体形成工程(B)における熱処理時間を比較的短くする(たとえば20〜60秒程度)ことにより、金属系粒子を比較的密に配置させることができる(平均粒子間距離を小さくすることができる)。   In the present invention, a metal-based particle assembly may be produced by repeating a series of steps including the metal-based film forming step (A) and the subsequent metal-based particle assembly forming step (B) twice or more. preferable. According to such a method, by repeating the main shape change and the secondary shape change of the metal film 250 due to the supply of the metal material for forming the metal film 250 and the subsequent heat treatment, the metal particles The average particle size, average height, aspect ratio, and average interparticle distance of the metal-based particles are in a range that is difficult to carry out only by performing the above series of steps only once. It becomes easier to control. Moreover, by making the heat treatment time in each metal-based particle aggregate formation step (B) relatively short (for example, about 20 to 60 seconds), the metal-based particles can be arranged relatively densely (average interparticle distance). Can be reduced).

したがって、上記一連の工程を繰り返し行なう方法は、とりわけ、より精密な形状(金属系粒子の形状およびその平均粒子間距離等)の制御が求められる金属系粒子集合体、すなわち、従来と比較して極めて強いプラズモン共鳴を示す等の特異的な特性を有し、発光素子や光電変換素子等を含む光学素子の増強要素として好適な下記に詳述する金属系粒子集合体の製造に好適である。   Therefore, the method of repeating the above-described series of steps is a metal particle aggregate that requires control of a more precise shape (the shape of the metal particles and the average distance between the particles), that is, in comparison with the conventional method. It has specific characteristics such as showing extremely strong plasmon resonance, and is suitable for the production of a metal-based particle aggregate described in detail below, which is suitable as an enhancement element for optical elements including light-emitting elements and photoelectric conversion elements.

なお、上記一連の工程を2回繰り返す場合を例に挙げると、第1回目は、上記工程(A)および(B)と同様、
(A1)平均厚みが50nm以下である第1の金属系膜を基板上に形成する第1の金属系膜形成工程、および
(B1)熱処理によって上記第1の金属系膜を第1の金属系粒子集合体へ形態変化させる第1の金属系粒子集合体形成工程
を含み、第2回目は、
(A2)第2の金属系膜を上記第1の金属系粒子集合体上に形成する第2の金属系膜形成工程、および
(B2)熱処理によって上記第1の金属系粒子集合体および上記第2の金属系膜から、第2の金属系粒子の複数が互いに離間して二次元的に配置されてなる第2の金属系粒子集合体を得る第2の金属系粒子集合体形成工程
を含む。
In addition, when the case where the above series of steps is repeated twice is taken as an example, the first time is the same as the above steps (A) and (B).
(A1) a first metal-based film forming step of forming a first metal-based film having an average thickness of 50 nm or less on the substrate; and (B1) the first metal-based film is formed into a first metal-based film by heat treatment. Including a first metal-based particle assembly forming step of changing the shape into a particle assembly,
(A2) a second metal-based film forming step for forming a second metal-based film on the first metal-based particle aggregate; and (B2) the first metal-based particle aggregate and the first metal film by heat treatment. A second metal-based particle assembly forming step of obtaining a second metal-based particle assembly in which a plurality of second metal-based particles are two-dimensionally arranged apart from each other from the two metal-based films. .

すなわち、工程(B2)では、工程(B1)で得られた第1の金属系粒子集合体と、その上に形成された第2の金属系膜とが、熱処理により一体となって、第2の金属系粒子集合体に形態変化する。   That is, in the step (B2), the first metal-based particle aggregate obtained in the step (B1) and the second metal-based film formed thereon are integrated by heat treatment to form the second The shape changes to a metallic particle aggregate.

工程(A2)における金属系膜形成条件および工程(B2)における熱処理条件ついては、それぞれ金属系膜形成工程(A)および金属系粒子集合体形成工程(B)について上述した内容が引用される。工程(A1)と(A2)の金属系膜形成条件、工程(B1)と(B2)の熱処理条件は、それぞれ同一であってもよいし、異なっていてもよい。   Regarding the metal film forming conditions in the step (A2) and the heat treatment conditions in the process (B2), the contents described above for the metal film forming process (A) and the metal particle aggregate forming process (B) are cited, respectively. The metal film forming conditions in the steps (A1) and (A2) and the heat treatment conditions in the steps (B1) and (B2) may be the same or different.

工程(A2)において形成される第2の金属系膜の平均厚みは、上記と同様の理由で、50nm以下であることが好ましい。ここでいう第2の金属系膜の平均厚みとは、第1の金属系粒子集合体上に形成するときと同じ条件で(たとえば塗布液を塗布する場合には、同じ面積に、同じ組成の塗布液を同じ塗布方法および同じ塗布量で)、平坦な基板に金属系膜を形成したときの、当該金属系膜についての上記定義に従う平均厚みである。   The average thickness of the second metal film formed in the step (A2) is preferably 50 nm or less for the same reason as described above. The average thickness of the second metal-based film here is the same as that when forming on the first metal-based particle aggregate (for example, when applying a coating liquid, the same area, the same composition, The average thickness according to the above definition for the metal film when the metal film is formed on a flat substrate with the same coating method and the same coating amount.

以上のようにして得られる基板100上に形成された金属系粒子集合体において、金属系粒子間は互いに絶縁されている、換言すれば、隣り合う金属系粒子との間に関して非導電性(金属系粒子集合体として非導電性)であることが好ましい。これは、一部もしくは全ての金属系粒子間で電子の授受が可能であると、プラズモン共鳴効果が低減するためである。したがって同様の理由で、金属系粒子間は確実に離間されており、金属系粒子間には導電性物質が介在されないことが好ましい。   In the metal-based particle aggregate formed on the substrate 100 obtained as described above, the metal-based particles are insulated from each other, in other words, non-conductive (metal) between adjacent metal-based particles. It is preferable that the system particle aggregate is non-conductive. This is because the plasmon resonance effect is reduced when electrons can be transferred between some or all of the metal-based particles. Therefore, for the same reason, it is preferable that the metal-based particles are reliably separated from each other and no conductive substance is interposed between the metal-based particles.

なお、本発明の製造方法は、後で詳述するように、金属系粒子集合体の表面に絶縁層を形成する工程を含んでいてもよい。   In addition, the manufacturing method of this invention may include the process of forming an insulating layer in the surface of a metal type particle aggregate so that it may explain in full detail later.

<金属系粒子集合体>
上述のように本発明の製造方法によれば、所望の形状(金属系粒子の形状およびその平均粒子間距離等)を有する金属系粒子集合体を制御良く製造することができる。したがって本発明は、精密な形状制御によって初めて発現する極めて強いプラズモン共鳴を示す等の特異的な特性を有する金属系粒子集合体の製造方法として有用である。プラズモン材料であるこの金属系粒子集合体は、発光素子や光電変換素子等を含む光学素子の増強要素として好適に適用することができ、適用した発光素子の発光効率や光電変換素子の変換効率を従来と比較して顕著に向上させることができる。
<Metal-based particle assembly>
As described above, according to the production method of the present invention, it is possible to produce a metal-based particle aggregate having a desired shape (the shape of the metal-based particles and the average distance between the particles) with good control. Therefore, the present invention is useful as a method for producing a metal-based particle aggregate having specific characteristics such as exhibiting extremely strong plasmon resonance that is first manifested by precise shape control. This metal-based particle aggregate, which is a plasmon material, can be suitably applied as an enhancement element for optical elements including light-emitting elements and photoelectric conversion elements, and can improve the luminous efficiency of the applied light-emitting elements and the conversion efficiency of the photoelectric conversion elements. This can be significantly improved as compared with the prior art.

本発明の製造方法によって得ることができる、光学素子の増強要素として好適な上述の金属系粒子集合体の例は、30個以上の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されており、該金属系粒子の平均粒径が200〜1600nmの範囲内、平均高さが55〜500nmの範囲内、平均高さに対する平均粒径の比で定義されるアスペクト比が1〜8の範囲内であり、かつ、下記のいずれかの特徴を有する金属系粒子集合体である。   An example of the above-described metal-based particle aggregate suitable as an optical element enhancement element, which can be obtained by the production method of the present invention, has 30 or more metal-based particles arranged two-dimensionally apart from each other. The average particle diameter of the metal-based particles is in the range of 200 to 1600 nm, the average height is in the range of 55 to 500 nm, and the aspect ratio defined by the ratio of the average particle diameter to the average height is in the range of 1 to 8. And a metal-based particle aggregate having any of the following characteristics.

〔i〕金属系粒子集合体を構成する金属系粒子が、その隣り合う金属系粒子との平均距離(平均粒子間距離)が1〜150nmの範囲内となるように配置されている(以下、この金属系粒子集合体を「金属系粒子集合体〔i〕」ともいう。)、
〔ii〕金属系粒子集合体は、可視光領域における吸光スペクトルにおいて、上記平均粒径と同じ粒径、上記平均高さと同じ高さおよび同じ材質からなる金属系粒子を、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した参照金属系粒子集合体(X)と比べて、最も長波長側にあるピークの極大波長が30〜500nmの範囲で短波長側にシフトしている(以下、この金属系粒子集合体を「金属系粒子集合体〔ii〕」ともいう。)、
〔iii〕金属系粒子集合体は、可視光領域における吸光スペクトルにおいて、上記平均粒径と同じ粒径、上記平均高さと同じ高さおよび同じ材質からなる金属系粒子を、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した参照金属系粒子集合体(Y)よりも、同じ金属系粒子数での比較において、最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度が高い(以下、この金属系粒子集合体を「金属系粒子集合体〔iii〕」ともいう。)。
[I] The metal-based particles constituting the metal-based particle aggregate are arranged so that the average distance (average interparticle distance) between the adjacent metal-based particles is in the range of 1 to 150 nm (hereinafter, This metal-based particle aggregate is also referred to as “metal-based particle aggregate [i]”),
[Ii] The metal-based particle aggregate is a distance between the metal-based particles in the absorption spectrum in the visible light region, wherein the metal-based particles having the same particle size, the same height as the average height, and the same material are used. Compared to the reference metal particle aggregate (X) arranged so that all are in the range of 1 to 2 μm, the peak maximum wavelength on the longest wavelength side shifts to the short wavelength side in the range of 30 to 500 nm. (Hereinafter, this metal-based particle aggregate is also referred to as “metal-based particle aggregate [ii]”).
[Iii] The metal-based particle aggregate has a distance between the metal-based particles that is the same as the average particle diameter, the same height as the average height, and the same material in the absorption spectrum in the visible light region. In comparison with the same number of metal particles, the absorbance at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side is higher than that of the reference metal particle aggregate (Y) arranged so that all are in the range of 1 to 2 μm (Hereinafter, this metal-based particle aggregate is also referred to as “metal-based particle aggregate [iii]”).

参照金属系粒子集合体との対比において、平均粒径および平均高さが参照金属系粒子集合体(X)または(Y)と「同じ」であるとは、平均粒径の差が±45nmの範囲内であり、平均高さの差が±15nmの範囲内であることをいう。   In contrast to the reference metal-based particle aggregate, the average particle diameter and the average height are “same” as the reference metal-based particle aggregate (X) or (Y). The difference in average particle diameter is ± 45 nm. It means that the difference in average height is within a range of ± 15 nm.

従来のプラズモン材料(金属ナノ粒子またはその集合体)の局在プラズモン共鳴現象を利用した、たとえば発光増強においては、局在プラズモン共鳴の作用範囲が金属ナノ粒子表面から10nm以下と極めて狭い範囲内に限定されるという問題があった。これは、金属ナノ粒子と励起される分子との距離を大きくしていくと、局在プラズモン共鳴が有効に影響しなくなることによって発光増強効果は徐々に弱まり、フェルスター機構のエネルギー移動が発現する範囲(1nm〜10nm)を超えると、発光増強効果をほとんど得ることができなかったためである。上記特許文献1〜3に記載の発光増強方法においても、効果的な発光増強効果を得るために有効な金属ナノ粒子と励起される分子との間の距離は10nm以下とされている。   For example, in emission enhancement using the localized plasmon resonance phenomenon of conventional plasmon materials (metal nanoparticles or aggregates thereof), the range of action of localized plasmon resonance is within a very narrow range of 10 nm or less from the surface of the metal nanoparticles. There was a problem of being limited. This is because as the distance between the metal nanoparticle and the molecule to be excited increases, the localized plasmon resonance no longer effectively affects the light emission enhancement effect, and the energy transfer of the Forster mechanism appears. This is because if the range (1 nm to 10 nm) is exceeded, almost no light emission enhancement effect can be obtained. Also in the light emission enhancement methods described in Patent Documents 1 to 3, the distance between the metal nanoparticles effective for obtaining an effective light emission enhancement effect and the excited molecule is 10 nm or less.

したがって、従来の金属ナノ粒子またはその集合体の局在プラズモン共鳴現象を利用した光学素子の増強効果は、局在プラズモン共鳴の作用範囲の制限のために、必ずしも十分満足のいくものではなかった。すなわち、光学素子が厚み数十nmまたはそれ以上の活性層(たとえば発光素子の発光層、光電変換素子の光吸収層)を有している場合には、仮に金属ナノ粒子を活性層に近接、あるいは内在させて配置することができたとしても、局在プラズモン共鳴による直接的な増強効果は、活性層の一部でしか得ることができないため、発光効率や変換効率向上効果は部分的なものであった。   Therefore, the enhancement effect of the optical element utilizing the local plasmon resonance phenomenon of the conventional metal nanoparticles or aggregates thereof is not always satisfactory because of the limitation of the action range of the local plasmon resonance. That is, when the optical element has an active layer having a thickness of several tens of nanometers or more (for example, a light emitting layer of a light emitting element, a light absorbing layer of a photoelectric conversion element), the metal nanoparticles are temporarily close to the active layer, Or even if it can be placed inside, the direct enhancement effect by localized plasmon resonance can be obtained only in a part of the active layer, so the luminous efficiency and conversion efficiency improvement effect is partial. Met.

これに対して、本発明の製造方法によって得ることができる上記の金属系粒子集合体〔i〕〜〔iii〕は、これを構成する金属系粒子が、一般に発光増強効果が小さくなると考えられている比較的大粒径であるにもかかわらず(上記特許文献1の段落0010〜0011参照)、特定の形状を有すること等に起因して、極めて強いプラズモン共鳴を示すとともに、著しく伸長されたプラズモン共鳴の作用範囲(プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲)を示す。   In contrast, the metal particle aggregates [i] to [iii] that can be obtained by the production method of the present invention are considered that the metal particles constituting the metal particle aggregates generally have a small light emission enhancing effect. Despite having a relatively large particle size (see paragraphs 0010 to 0011 of Patent Document 1 above), plasmon that exhibits extremely strong plasmon resonance and is significantly elongated due to having a specific shape, etc. The range of action of resonance (the range covered by the plasmon enhancement effect) is shown.

以下、金属系粒子集合体〔i〕〜〔iii〕について詳細に説明する。
(金属系粒子集合体〔i〕)
金属系粒子集合体〔i〕は、次の点において極めて有利である。
Hereinafter, the metal particle aggregates [i] to [iii] will be described in detail.
(Metal-based particle aggregate [i])
The metal-based particle aggregate [i] is extremely advantageous in the following points.

(1)極めて強いプラズモン共鳴を示すため、発光素子に適用した場合には、従来のプラズモン材料を用いる場合と比較して、より強い発光増強効果を得ることができ、これにより発光効率を飛躍的に高めることができる。また、光電変換素子に適用した場合には、その変換効率を飛躍的に高めることができる。金属系粒子集合体〔i〕が示すプラズモン共鳴の強さは、特定波長における個々の金属系粒子が示す局在プラズモン共鳴の単なる総和ではなく、それ以上の強さである。すなわち、30個以上の所定形状の金属系粒子が上記の所定間隔で密に配置されることにより、個々の金属系粒子が相互作用して、極めて強いプラズモン共鳴が発現する。これは、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用により発現したものと考えられる。   (1) Since it exhibits extremely strong plasmon resonance, when applied to a light-emitting element, a stronger light emission enhancement effect can be obtained compared to the case of using a conventional plasmon material, thereby dramatically improving the light emission efficiency. Can be increased. Moreover, when it applies to a photoelectric conversion element, the conversion efficiency can be improved greatly. The intensity of the plasmon resonance indicated by the metal-based particle aggregate [i] is not a mere sum of the localized plasmon resonances exhibited by individual metal-based particles at a specific wavelength, but is higher than that. That is, when 30 or more metal particles having a predetermined shape are densely arranged at the predetermined interval, individual metal particles interact with each other, and extremely strong plasmon resonance is expressed. This is considered to be expressed by the interaction between the localized plasmons of the metal-based particles.

一般にプラズモン材料は、吸光光度法で吸光スペクトルを測定したとき、紫外〜可視領域におけるピークとしてプラズモンピークが観測され、このプラズモンピークの極大波長における吸光度値の大小から、そのプラズモン材料のプラズモン共鳴の強さを略式に評価することができるが、ガラス基板上に形成された金属系粒子集合体〔i〕は、吸光スペクトルを測定したとき、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が0.4以上、さらには0.7以上、なおさらには0.9以上となり得る。   In general, when an absorption spectrum of a plasmon material is measured by absorptiometry, a plasmon peak is observed as a peak in the ultraviolet to visible region. The metal-based particle aggregate [i] formed on the glass substrate has a maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region when the absorption spectrum is measured. Can be 0.4 or more, further 0.7 or more, and even 0.9 or more.

金属系粒子集合体の吸光スペクトルは、ガラス基板上に形成したものを測定サンプルとして、吸光光度法によって測定される。具体的には、吸光スペクトルは、金属系粒子集合体が積層されたガラス基板の裏面側(金属系粒子集合体とは反対側)であって、基板面に垂直な方向から紫外〜可視光領域の入射光を照射し、金属系粒子集合体側に透過した全方向における透過光の強度Iと、該測定サンプルの基板と同じ厚み、材質の基板であって、金属系粒子集合体が積層されていない基板の面に垂直な方向から先と同じ入射光を照射し、入射面の反対側から透過した全方向における透過光の強度I0を、それぞれ積分球分光光度計を用いて測定することにより得られる。このとき、吸光スペクトルの縦軸である吸光度は、下記式:
吸光度=−log10(I/I0
で表される。
The absorption spectrum of the metal-based particle aggregate is measured by absorptiometry using a sample formed on a glass substrate as a measurement sample. Specifically, the absorption spectrum is on the back side of the glass substrate on which the metal-based particle aggregates are laminated (on the side opposite to the metal-based particle aggregates), and is in the ultraviolet to visible light region from the direction perpendicular to the substrate surface. Is a substrate having the same thickness and material as that of the substrate of the measurement sample, and the metal particle aggregate is laminated. By irradiating the same incident light from the direction perpendicular to the surface of the non-substrate and measuring the intensity I 0 of the transmitted light in all directions transmitted from the opposite side of the incident surface using an integrating sphere spectrophotometer, respectively. can get. At this time, the absorbance, which is the vertical axis of the absorption spectrum, has the following formula:
Absorbance = −log 10 (I / I 0 )
It is represented by

(2)プラズモン共鳴の作用範囲(プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲)が著しく伸長されている。このような伸長作用もまた、30個以上の所定形状の金属系粒子を所定間隔で密に配置したことによって生じた金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用により発現したものと考えられる。金属系粒子集合体〔i〕によれば、従来では概ねフェルスター距離の範囲内(約10nm以下)に限定されていたプラズモン共鳴の作用範囲を、たとえば数百nm程度まで伸長することができる。   (2) The action range of plasmon resonance (the range in which the enhancement effect by plasmons reaches) is significantly extended. Such an elongation action is also considered to be manifested by the interaction between localized plasmons of metal-based particles generated by densely arranging 30 or more predetermined-shaped metal particles at a predetermined interval. According to the metal-based particle aggregate [i], it is possible to extend the plasmon resonance action range, which is conventionally limited to the range of about the Forster distance (about 10 nm or less), to about several hundred nm, for example.

上記のようなプラズモン共鳴の作用範囲の伸長は、発光素子や光電変換素子等の光学素子の増強に極めて有利である。すなわち、この作用範囲の大幅な伸長によって、活性層が数十nmまたはそれ以上の厚みを有する場合であっても、活性層の全体を増強させることが可能になり、これにより光学素子の増強効果(発光効率や変換効率等)を著しく向上させることができる。   The extension of the plasmon resonance operating range as described above is extremely advantageous for enhancing optical elements such as light emitting elements and photoelectric conversion elements. That is, due to the significant extension of this working range, even if the active layer has a thickness of several tens of nanometers or more, it becomes possible to enhance the entire active layer, thereby enhancing the optical element. (Emission efficiency, conversion efficiency, etc.) can be significantly improved.

また、従来のプラズモン材料においては、プラズモン材料を活性層との距離がフェルスター距離の範囲内となるように配置する必要があったが、金属系粒子集合体〔i〕によれば、活性層から、たとえば10nm、さらには数十nm(たとえば20nm)、なおさらには数百nm離れた位置に配置してもプラズモン共鳴による増強効果を得ることができる。このことは、たとえば発光素子であれば、発光層からかなり離れた光取り出し面近傍に金属系粒子集合体を配置することが可能になることを意味しており、これにより、金属系粒子集合体から発せられる光が光取り出し面に到達するまでの間に、通過する各種発光素子構成層の界面で全反射されることを抑制できるため、光取り出し効率を向上させることができる。   In the conventional plasmon material, the plasmon material has to be arranged so that the distance from the active layer is within the range of the Förster distance. According to the metal-based particle aggregate [i], the active layer Therefore, for example, the enhancement effect by plasmon resonance can be obtained even if they are arranged at a position 10 nm, further several tens of nm (for example, 20 nm), or even several hundred nm apart. This means that, for example, in the case of a light-emitting element, the metal-based particle aggregate can be disposed in the vicinity of the light extraction surface considerably away from the light-emitting layer. It is possible to suppress the total reflection at the interfaces of the various light emitting element constituting layers that pass through until the light emitted from the light reaches the light extraction surface, so that the light extraction efficiency can be improved.

このように金属系粒子集合体〔i〕は、それ単独では双極子型の局在プラズモンが可視光領域で生起し難い比較的大型の金属系粒子を用いるにもかかわらず、このような大型の金属系粒子(所定の形状を有していることが必要であるが)の特定数以上を、特定の間隔を置いて密に配置することにより、当該大型の金属系粒子が内包する極めて多数の表面自由電子を有効にプラズモンとして励起することができ、著しく強いプラズモン共鳴およびプラズモン共鳴の作用範囲の著しい伸長の実現を可能にしたものである。   As described above, the metal-based particle aggregate [i] uses such a large-sized metal particle in spite of using relatively large-sized metal-based particles that are difficult to generate dipole-type localized plasmons in the visible light region. By arranging a specific number or more of metal-based particles (although it is necessary to have a predetermined shape) closely spaced with a specific interval, an extremely large number of the metal-based particles included in the large-sized metal particles The surface free electrons can be effectively excited as plasmons, and it is possible to realize remarkably strong plasmon resonance and a significant extension of the range of action of plasmon resonance.

また、金属系粒子集合体〔i〕は、特定の形状を有する比較的大型な金属系粒子の特定数以上を二次元的に特定の間隔で離間して配置した構造を有していることに起因して、次のような有利な効果を奏し得る。   In addition, the metal particle aggregate [i] has a structure in which a specific number or more of relatively large metal particles having a specific shape are two-dimensionally spaced apart at a specific interval. As a result, the following advantageous effects can be obtained.

(3)可視光領域における吸光スペクトルにおいて、金属系粒子の平均粒径および平均粒子間距離に依存して、プラズモンピークの極大波長が特異なシフトを示し得る。具体的には、平均粒子間距離を一定にして金属系粒子の平均粒径を大きくするに従い、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長が短波長側にシフト(ブルーシフト)する。同様に、大型の金属系粒子の平均粒径を一定にして平均粒子間距離を小さくするに従い(金属系粒子をより密に配置すると)、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長が短波長側にシフトする。この特異な現象は、プラズモン材料に関して一般的に認められているミー散乱理論〔この理論に従えば、粒径が大きくなるとプラズモンピークの極大波長は長波長側にシフト(レッドシフト)する。〕に反するものである。   (3) In the absorption spectrum in the visible light region, the maximum wavelength of the plasmon peak can show a specific shift depending on the average particle diameter of metal-based particles and the average interparticle distance. Specifically, the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region shifts to the short wavelength side (blue shift) as the average particle size of the metal-based particles increases with a constant average interparticle distance. To do. Similarly, as the average particle size of large metal particles is kept constant and the distance between the average particles is decreased (when metal particles are arranged more densely), the maximum of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region The wavelength shifts to the short wavelength side. This peculiar phenomenon is the Mie scattering theory generally accepted for plasmon materials [in accordance with this theory, the maximum wavelength of the plasmon peak shifts to the longer wavelength side (red shift) as the particle size increases. ] Is against this.

上記のような特異なブルーシフトもまた、金属系粒子集合体〔i〕が大型の金属系粒子を特定の間隔を置いて密に配置した構造を有しており、これに伴い、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用が生じていることによるものと考えられる。金属系粒子集合体〔i〕(ガラス基板上に積層した状態)は、金属系粒子の形状や平均粒子間距離に応じて、吸光光度法によって測定される可視光領域における吸光スペクトルにおいて、最も長波長側にあるプラズモンピークが、たとえば350〜550nmの波長領域に極大波長を示し得る。また、金属系粒子集合体〔i〕は、金属系粒子が十分に長い粒子間距離(たとえば1μm)を置いて配置される場合と比較して、典型的には30〜500nm程度(たとえば30〜250nm)のブルーシフトを生じ得る。   The unique blue shift as described above also has a structure in which the metal-based particle aggregate [i] has a structure in which large-sized metal particles are densely arranged at specific intervals. This is thought to be due to the interaction between the localized plasmons of. The metal-based particle aggregate [i] (in a state of being laminated on the glass substrate) has the longest absorption spectrum in the visible light region measured by the absorptiometry according to the shape of the metal-based particles and the average interparticle distance. The plasmon peak on the wavelength side can exhibit a maximum wavelength in a wavelength region of 350 to 550 nm, for example. Further, the metal-based particle aggregate [i] typically has a thickness of about 30 to 500 nm (for example 30 to 30 nm) as compared with the case where the metal-based particles are arranged with a sufficiently long inter-particle distance (for example, 1 μm). 250 nm) blue shift can occur.

このような、従来のものと比べてプラズモンピークの極大波長がブルーシフトしている金属系粒子集合体は、たとえば次の点で極めて有利である。すなわち、高い発光効率を示す青色(もしくはその近傍波長領域、以下同様。)発光材料(特に青色燐光材料)の実現が強く求められている一方で、十分実用に耐えるこのような材料の開発が現状では困難であるところ、たとえば青色の波長領域にプラズモンピークを有する金属系粒子集合体〔i〕を増強要素として発光素子に適用することにより、比較的発光効率の低い青色発光材料を用いる場合であっても、その発光効率を十分な程度にまで増強させることができる。また、光電変換素子(太陽電池素子など)に適用した場合には、たとえば共鳴波長をブルーシフトさせることによって活性層自体では利用できなかった波長領域を有効利用できるようになり、変換効率を向上させ得る。   Such a metal-based particle aggregate in which the maximum wavelength of the plasmon peak is blue-shifted compared to the conventional one is extremely advantageous, for example, in the following points. That is, while there is a strong demand for a blue (or near-wavelength region, hereinafter the same) luminescent material (especially a blue phosphorescent material) that exhibits high luminous efficiency, development of such a material that can withstand practical use is currently underway. However, it is difficult to use a blue light emitting material with relatively low luminous efficiency by applying, for example, a metallic particle aggregate [i] having a plasmon peak in the blue wavelength region as an enhancement element to a light emitting element. However, the luminous efficiency can be increased to a sufficient level. In addition, when applied to photoelectric conversion elements (solar cell elements, etc.), for example, the wavelength region that could not be used in the active layer itself can be effectively utilized by blue shifting the resonance wavelength, thereby improving the conversion efficiency. obtain.

次に、金属系粒子集合体〔i〕の具体的構成についてより詳細に説明する。
金属系粒子の平均粒径は200〜1600nmの範囲内であり、上記(1)〜(3)の効果を効果的に得るために、好ましくは200〜1200nm、より好ましくは250〜500nm、さらに好ましくは300〜500nmの範囲内である。金属系粒子の平均粒径は、金属系粒子集合体を増強要素として適用する光学素子の種類や金属系粒子を構成する材料の種類に応じて適切に選択されることが好ましい。
Next, the specific configuration of the metal-based particle aggregate [i] will be described in more detail.
The average particle size of the metal-based particles is in the range of 200 to 1600 nm, and in order to effectively obtain the effects (1) to (3) above, preferably 200 to 1200 nm, more preferably 250 to 500 nm, still more preferably Is in the range of 300-500 nm. The average particle diameter of the metal-based particles is preferably selected appropriately depending on the type of optical element to which the metal-based particle aggregate is applied as an enhancement element and the type of material constituting the metal-based particles.

ここで特筆すべき点は、たとえば平均粒径500nmという大型の金属系粒子は、上述のように、それ単独では局在プラズモンによる増強効果がほとんど認められないということである。これに対し金属系粒子集合体〔i〕は、このような大型の金属系粒子の所定数(30個)以上を所定の間隔で密に配置することにより、著しく強いプラズモン共鳴およびプラズモン共鳴の作用範囲の著しい伸長、さらには上記(3)の効果を実現するものである。   What should be noted here is that, for example, large metal particles having an average particle diameter of 500 nm, as described above, hardly show an enhancement effect by localized plasmons alone. On the other hand, the metal particle aggregate [i] has an extremely strong plasmon resonance and plasmon resonance action by densely arranging a predetermined number (30) or more of such large metal particles at a predetermined interval. The remarkable extension of the range and further the effect (3) are realized.

金属系粒子の平均粒径とは、二次元的に金属系粒子が配置された金属系粒子集合体の直上からのSEM観察画像において、無作為に粒子を10個選択し、各粒子像内に無作為に接線径を5本引き(ただし、接線径となる直線はいずれも粒子像内部のみを通ることができ、このうち1本は粒子内部のみ通り、最も長く引ける直線であるものとする)、その平均値を各粒子の粒径としたときの、選択した10個の粒径の平均値である。接線径とは、粒子の輪郭(投影像)をこれに接する2本の平行線で挟んだときの間隔(日刊工業新聞社 「粒子計測技術」,1994,第5頁)を結ぶ垂線と定義する。   The average particle size of the metal-based particles means that 10 particles are randomly selected in the SEM observation image from directly above the metal-based particle assembly in which the metal-based particles are two-dimensionally arranged, and each particle image includes Randomly draw 5 tangential diameters (however, any straight line with a tangential diameter can only pass through the interior of the particle image, one of which is only the interior of the particle and is the longest drawable line) The average value of the 10 selected particle sizes when the average value is the particle size of each particle. The tangent diameter is defined as a perpendicular line connecting the interval (projection image) of a particle between two parallel lines in contact with it (Nikkan Kogyo Shimbun “Particle Measurement Technology”, 1994, page 5). .

金属系粒子の平均高さは55〜500nmの範囲内であり、上記(1)〜(3)の効果を効果的に得るために、好ましくは55〜300nm、より好ましくは70〜150nmの範囲内である。金属系粒子の平均高さとは、金属系粒子集合体のAFM観察画像において、無作為に粒子を10個選択し、これら10個の粒子の高さを測定したときの、10個の測定値の平均値である。   The average height of the metal-based particles is in the range of 55 to 500 nm, and in order to effectively obtain the effects (1) to (3), preferably in the range of 55 to 300 nm, more preferably 70 to 150 nm. It is. The average height of the metal-based particles refers to 10 measured values when 10 particles are randomly selected in the AFM observation image of the metal-based particle aggregate and the heights of these 10 particles are measured. Average value.

金属系粒子のアスペクト比は1〜8の範囲内であり、この範囲内で金属系粒子集合体を増強要素として適用する光学素子の種類に応じて適切に選択することが好ましい。たとえば発光素子の増強要素として用いる場合には、金属系粒子は扁平形状を有することが好ましい傾向にあり、この場合、より高い増強効果を得るために、アスペクト比は2〜8であることが好ましく、2.5〜8であることがより好ましい。一方、光電変換素子の増強要素として用いる場合、より高い増強効果を得るためには、金属系粒子は真球状に近いほど好ましい傾向にある。金属系粒子のアスペクト比は、上記平均高さに対する上記平均粒径の比(平均粒径/平均高さ)で定義される。   The aspect ratio of the metal-based particles is in the range of 1 to 8, and it is preferable that the metal-based particle aggregate is appropriately selected depending on the type of the optical element to which the metal-based particle aggregate is applied as the enhancement element. For example, when used as an enhancement element of a light emitting device, the metal-based particles tend to have a flat shape. In this case, in order to obtain a higher enhancement effect, the aspect ratio is preferably 2 to 8. 2.5 to 8 is more preferable. On the other hand, when used as an enhancement element of a photoelectric conversion element, in order to obtain a higher enhancement effect, the metal particles tend to be more preferable as they are closer to a true sphere. The aspect ratio of the metal-based particles is defined by the ratio of the average particle diameter to the average height (average particle diameter / average height).

金属系粒子は、効果の高いプラズモンを励起する観点から、その表面が滑らかな曲面からなることが好ましいが、表面に微小な凹凸(粗さ)を幾分含んでいてもよく、このような意味において金属系粒子は不定形であってもよい。   From the viewpoint of exciting highly effective plasmons, the surface of the metal-based particles is preferably a smooth curved surface, but the surface may contain some minute irregularities (roughness). The metal particles may be indefinite.

金属系粒子集合体の面内におけるプラズモン共鳴の強さの均一性に鑑み、金属系粒子間のサイズのバラツキはできるだけ小さいことが好ましい。ただし、粒径に多少バラツキが生じたとしても、大型粒子間の距離が大きくなることは好ましくなく、その間を小型の粒子が埋めることで大型粒子間の相互作用を発現しやすくすることが好ましい。   In view of the uniformity of the intensity of plasmon resonance in the plane of the metal-based particle aggregate, it is preferable that the size variation between the metal-based particles is as small as possible. However, even if there is some variation in the particle size, it is not preferable that the distance between the large particles is increased, and it is preferable that the interaction between the large particles is facilitated by filling the space between the small particles.

金属系粒子集合体〔i〕において金属系粒子は、その隣り合う金属系粒子との平均距離(平均粒子間距離)が1〜150nmの範囲内となるように配置される。このように金属系粒子を密に配置することにより、著しく強いプラズモン共鳴およびプラズモン共鳴の作用範囲の著しい伸長、さらには上記(3)の効果を実現することができる。平均粒子間距離は、上記(1)〜(3)の効果を効果的に得るために、好ましくは1〜100nm、より好ましくは1〜50nm、さらに好ましくは1〜20nmの範囲内である。平均粒子間距離が1nm未満であると、粒子間でデクスター機構に基づく電子移動が生じ、局在プラズモンの失活の点で不利となる。   In the metal particle aggregate [i], the metal particles are arranged such that the average distance (average interparticle distance) between the adjacent metal particles is in the range of 1 to 150 nm. By arranging the metal-based particles densely in this way, it is possible to achieve extremely strong plasmon resonance, a significant extension of the plasmon resonance action range, and further the effect (3) above. In order to effectively obtain the effects (1) to (3) above, the average interparticle distance is preferably in the range of 1 to 100 nm, more preferably 1 to 50 nm, and even more preferably 1 to 20 nm. When the average interparticle distance is less than 1 nm, electron transfer based on the Dexter mechanism occurs between particles, which is disadvantageous in terms of deactivation of localized plasmons.

平均粒子間距離とは、二次元的に金属系粒子が配置された金属系粒子集合体の直上からのSEM観察画像において、無作為に粒子を30個選択し、選択したそれぞれの粒子について、隣り合う粒子との粒子間距離を求めたときの、これら30個の粒子の粒子間距離の平均値である。隣り合う粒子との粒子間距離とは、すべての隣り合う粒子との距離(表面同士間の距離である)をそれぞれ測定し、これらを平均した値である。   The average interparticle distance means that 30 particles are randomly selected in an SEM observation image from directly above a metal particle aggregate in which metal particles are two-dimensionally arranged, and each selected particle is adjacent to each other. It is the average value of the interparticle distances of these 30 particles when the interparticle distance with the matching particles is obtained. The inter-particle distance between adjacent particles is a value obtained by measuring the distances between all adjacent particles (the distance between the surfaces) and averaging them.

金属系粒子集合体〔i〕に含まれる金属系粒子の数は30個以上であり、好ましくは50個以上である。金属系粒子を30個以上含む集合体を形成することにより、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用によって極めて強いプラズモン共鳴およびプラズモン共鳴の作用範囲の伸長が発現する。   The number of metal particles contained in the metal particle aggregate [i] is 30 or more, preferably 50 or more. By forming an aggregate containing 30 or more metal-based particles, extremely strong plasmon resonance and extension of the plasmon resonance action range are expressed by the interaction between localized plasmons of the metal-based particles.

金属系粒子集合体〔i〕を増強要素として光学素子に適用する場合、光学素子の一般的な素子面積に照らせば、金属系粒子集合体〔i〕に含まれる金属系粒子の数は、たとえば300個以上、さらには17500個以上となり得る。   When the metal-based particle aggregate [i] is applied to the optical element as an enhancement element, the number of metal-based particles contained in the metal-based particle aggregate [i] is, for example, in light of the general element area of the optical element, It can be 300 or more, and further 17500 or more.

金属系粒子集合体〔i〕における金属系粒子の数密度は、7個/μm2以上であることが好ましく、15個/μm2以上であることがより好ましい。 The number density of metal particles in the metal particle aggregate [i] is preferably 7 particles / μm 2 or more, and more preferably 15 particles / μm 2 or more.

また上述のように、金属系粒子集合体〔i〕において、金属系粒子間は互いに絶縁されている、すなわち、隣り合う金属系粒子との間に関して非導電性(金属系粒子集合体として非導電性)であることが好ましい。   Further, as described above, in the metal-based particle aggregate [i], the metal-based particles are insulated from each other, that is, nonconductive with respect to adjacent metal-based particles (non-conductive as a metal-based particle aggregate). Preferably).

(金属系粒子集合体〔ii〕)
金属系粒子集合体〔ii〕は、次の点において極めて有利である。
(Metal-based particle aggregate [ii])
The metal-based particle aggregate [ii] is extremely advantageous in the following points.

(I)可視光領域における吸光スペクトルにおいて、最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長が特異的な波長領域に存在する。具体的には、金属系粒子集合体〔ii〕は、吸光スペクトルを測定したとき、上記プラズモンピークの極大波長が、後述する参照金属系粒子集合体(X)の極大波長に比べて、30〜500nmの範囲(たとえば30〜250nmの範囲)で短波長側にシフト(ブルーシフト)しており、典型的には、上記プラズモンピークの極大波長は350〜550nmの範囲内にある。   (I) In the absorption spectrum in the visible light region, the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side exists in a specific wavelength region. Specifically, when the metal-based particle aggregate [ii] has an absorption spectrum, the maximum wavelength of the plasmon peak is 30 to more than the maximum wavelength of the reference metal-based particle aggregate (X) described later. It shifts to the short wavelength side (blue shift) in the range of 500 nm (for example, in the range of 30 to 250 nm), and typically the maximum wavelength of the plasmon peak is in the range of 350 to 550 nm.

このような青色またはその近傍波長領域にプラズモンピークを有し得る金属系粒子集合体〔ii〕は、青色またはその近傍波長領域の発光材料を用いた発光素子の発光増強などに極めて有用であり、かかる金属系粒子集合体〔ii〕を備える発光素子では、比較的発光効率の低い青色発光材料を用いる場合であっても、その発光効率を十分な程度にまで増強させることができる。また、光電変換素子(太陽電池素子など)に適用した場合には、たとえば共鳴波長をブルーシフトさせることによって活性層自体では利用できなかった波長領域を有効利用できるようになり、変換効率を向上させ得る。   Such a metal-based particle aggregate [ii] that can have a plasmon peak in blue or in the vicinity wavelength region thereof is extremely useful for enhancing light emission of a light-emitting element using a light-emitting material in blue or in the vicinity wavelength region, In a light-emitting device including such a metal-based particle aggregate [ii], even when a blue light-emitting material having a relatively low light emission efficiency is used, the light emission efficiency can be enhanced to a sufficient level. In addition, when applied to photoelectric conversion elements (solar cell elements, etc.), for example, the wavelength region that could not be used in the active layer itself can be effectively utilized by blue shifting the resonance wavelength, thereby improving the conversion efficiency. obtain.

上記ブルーシフトは、金属系粒子集合体〔ii〕が特定の形状を有する大型な金属系粒子の特定数以上を二次元的に離間して配置した構造を有しており、これに伴い、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用が生じていることによるものと考えられる。   The blue shift has a structure in which the metal-based particle aggregate [ii] has a structure in which a specific number or more of large-sized metal-based particles having a specific shape are two-dimensionally spaced. This is thought to be due to the interaction between the local plasmons of the system particles.

ここで、ある金属系粒子集合体と参照金属系粒子集合体(X)との間で最も長波長側にあるピークの極大波長や該極大波長における吸光度を比較する場合には、両者について、顕微鏡(Nikon社製「OPTIPHOT−88」と分光光度計(大塚電子社製「MCPD−3000」)とを用い、測定視野を絞って吸光スペクトル測定を行なう。   Here, when comparing the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side and the absorbance at the maximum wavelength between a certain metal-based particle assembly and the reference metal-based particle assembly (X), Using an “OPTIPHOT-88” manufactured by Nikon and a spectrophotometer (“MCPD-3000” manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.), the absorption spectrum is measured with the measurement field of view narrowed.

参照金属系粒子集合体(X)は、吸光スペクトル測定の対象となる金属系粒子集合体が有する平均粒径、平均高さと同じ粒径、高さおよび同じ材質を有する金属系粒子Aを、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した金属系粒子集合体であって、ガラス基板に積層した状態で、上記の顕微鏡を利用した吸光スペクトル測定を行ない得る程度の大きさを有するものである。   The reference metal-based particle aggregate (X) is obtained by replacing the metal-based particles A having the same average particle diameter, the same particle size, the same height as the average height, and the same material with the metal particle aggregates to be subjected to absorption spectrum measurement. An assembly of metal particles arranged such that the distances between the system particles are all within the range of 1 to 2 μm, and the absorption spectrum measurement using the above microscope can be performed in a state of being laminated on the glass substrate. It has a size.

参照金属系粒子集合体(X)の吸光スペクトル波形は、金属系粒子Aの粒径および高さ、金属系粒子Aの材質の誘電関数、金属系粒子A周辺の媒体(たとえば空気)の誘電関数、基板(たとえばガラス基板)の誘電関数を用いて、3D−FDTD法によって理論上計算することも可能である。   The absorption spectrum waveform of the reference metal-based particle aggregate (X) includes the particle size and height of the metal-based particle A, the dielectric function of the material of the metal-based particle A, and the dielectric function of the medium (for example, air) around the metal-based particle A. It is also possible to theoretically calculate by the 3D-FDTD method using the dielectric function of the substrate (for example, a glass substrate).

また、金属系粒子集合体〔ii〕は、特定の形状を有する比較的大型な金属系粒子の特定数以上を二次元的に離間して配置した構造を有していることに起因して、(II)極めて強いプラズモン共鳴を示し得る(上記金属系粒子集合体〔i〕の効果(1)と同様)、および(III)プラズモン共鳴の作用範囲(プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲)が著しく伸長され得る(上記金属系粒子集合体〔i〕の効果(2)と同様)、などの効果を奏し得る。金属系粒子集合体〔ii〕は、これをガラス基板上に積層した状態で吸光スペクトルを測定したとき、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が0.4以上、さらには0.7以上、なおさらには0.9以上となり得る。   Further, the metal-based particle aggregate [ii] has a structure in which a specific number or more of relatively large metal-based particles having a specific shape are arranged two-dimensionally apart from each other, (II) Extremely strong plasmon resonance can be exhibited (similar to the effect (1) of the metal-based particle aggregate [i]), and (III) the range of action of plasmon resonance (the range over which the plasmon enhances) is significantly extended. (Similar to the effect (2) of the metal-based particle aggregate [i]). The metal-based particle aggregate [ii] has an absorbance at the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region when the absorption spectrum is measured in a state where the metal particle aggregate [ii] is laminated on the glass substrate, Furthermore, it can be 0.7 or more, and even 0.9 or more.

金属系粒子集合体〔ii〕の具体的構成は、金属系粒子集合体〔i〕の具体的構成(金属系粒子の材質、平均粒径、平均高さ、アスペクト比、平均粒子間距離、金属系粒子の数、金属系粒子集合体の非導電性など)と基本的には同様であることができる。平均粒径、平均高さ、アスペクト比、平均粒子間距離などの用語の定義も金属系粒子集合体〔i〕と同じである。   The specific configuration of the metal-based particle aggregate [ii] is the specific configuration of the metal-based particle aggregate [i] (the material of the metal-based particles, the average particle diameter, the average height, the aspect ratio, the average interparticle distance, the metal The number of the system particles, the non-conductivity of the metal-based particle aggregate, etc.) can be basically the same. Definitions of terms such as average particle diameter, average height, aspect ratio, and average interparticle distance are the same as those for the metal-based particle aggregate [i].

金属系粒子の平均粒径は200〜1600nmの範囲内であり、上記(I)〜(III)の効果を効果的に得るために、好ましくは200〜1200nm、より好ましくは250〜500nm、さらに好ましくは300〜500nmの範囲内である。このような大型の金属系粒子の所定数(30個)以上を二次元的に配置した集合体とすることにより、著しく強いプラズモン共鳴およびプラズモン共鳴の作用範囲の著しい伸長の実現が可能となる。また、上記〔ii〕の特徴(短波長側へのプラズモンピークのシフト)を発現させるうえでも、金属系粒子は、平均粒径が200nm以上であることが必須であり、好ましくは250nm以上である。金属系粒子の平均粒径は、金属系粒子集合体を増強要素として適用する光学素子の種類や金属系粒子を構成する材料の種類に応じて適切に選択されることが好ましい。   The average particle diameter of the metal-based particles is in the range of 200 to 1600 nm, and in order to effectively obtain the effects (I) to (III), preferably 200 to 1200 nm, more preferably 250 to 500 nm, still more preferably Is in the range of 300-500 nm. By forming an aggregate in which a predetermined number (30) or more of such large metal particles are two-dimensionally arranged, it is possible to realize extremely strong plasmon resonance and a significant extension of the plasmon resonance operating range. Further, in order to develop the above feature [ii] (plasmon peak shift to the short wavelength side), the metal particles must have an average particle size of 200 nm or more, preferably 250 nm or more. . The average particle diameter of the metal-based particles is preferably selected appropriately depending on the type of optical element to which the metal-based particle aggregate is applied as an enhancement element and the type of material constituting the metal-based particles.

金属系粒子集合体〔ii〕では、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長は、金属系粒子の平均粒径に依存する。すなわち、金属系粒子の平均粒径が一定の値を超えると、当該プラズモンピークの極大波長は短波長側にシフト(ブルーシフト)する。   In the metal-based particle aggregate [ii], the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region depends on the average particle diameter of the metal-based particles. That is, when the average particle diameter of the metal-based particles exceeds a certain value, the maximum wavelength of the plasmon peak shifts (blue shift) to the short wavelength side.

金属系粒子の平均高さは55〜500nmの範囲内であり、上記(I)〜(III)の効果を効果的に得るために、好ましくは55〜300nm、より好ましくは70〜150nmの範囲内である。金属系粒子のアスペクト比は1〜8の範囲内であり、金属系粒子集合体〔i〕と同様、この範囲内で金属系粒子集合体を増強要素として適用する光学素子の種類に応じて適切に選択することが好ましい。   The average height of the metal-based particles is in the range of 55 to 500 nm, and in order to effectively obtain the effects (I) to (III), preferably in the range of 55 to 300 nm, more preferably 70 to 150 nm. It is. The aspect ratio of the metal-based particles is in the range of 1 to 8, and, as in the case of the metal-based particle aggregate [i], it is appropriate depending on the type of optical element to which the metal-based particle aggregate is applied as an enhancement element. It is preferable to select.

金属系粒子集合体〔ii〕において金属系粒子は、平均粒子間距離が1〜150nmの範囲内となるように配置されることが好ましい。より好ましくは1〜100nm、さらに好ましくは1〜50nm、特に好ましくは1〜20nmの範囲内である。このように金属系粒子を密に配置することにより、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用が効果的に生じ、上記(I)〜(III)の効果が発現されやすくなる。プラズモンピークの極大波長は、金属系粒子の平均粒子間距離に依存するので、平均粒子間距離の調整により、最も長波長側にあるプラズモンピークのブルーシフトの程度や当該プラズモンピークの極大波長を制御することが可能である。平均粒子間距離が1nm未満であると、粒子間でデクスター機構に基づく電子移動が生じ、局在プラズモンの失活の点で不利となる。   In the metal particle aggregate [ii], the metal particles are preferably arranged so that the average interparticle distance is in the range of 1 to 150 nm. More preferably, it is 1-100 nm, More preferably, it is 1-50 nm, Most preferably, it exists in the range of 1-20 nm. By arranging the metal-based particles densely as described above, the interaction between the local plasmons of the metal-based particles is effectively generated, and the effects (I) to (III) are easily expressed. Since the maximum wavelength of the plasmon peak depends on the average interparticle distance of the metal particles, the degree of blue shift of the plasmon peak on the longest wavelength side and the maximum wavelength of the plasmon peak are controlled by adjusting the average interparticle distance. Is possible. When the average interparticle distance is less than 1 nm, electron transfer based on the Dexter mechanism occurs between particles, which is disadvantageous in terms of deactivation of localized plasmons.

金属系粒子集合体〔ii〕に含まれる金属系粒子の数は30個以上であり、好ましくは50個以上である。金属系粒子を30個以上含む集合体を形成することにより、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用が効果的に生じ、上記〔ii〕の特徴および上記(I)〜(III)の効果の発現が可能となる。   The number of metal particles contained in the metal particle aggregate [ii] is 30 or more, and preferably 50 or more. By forming an aggregate including 30 or more metal-based particles, an interaction between localized plasmons of the metal-based particles is effectively generated, and the characteristics of [ii] and the effects of (I) to (III) are achieved. Expression is possible.

金属系粒子集合体〔ii〕を増強要素として光学素子に適用する場合、光学素子の一般的な素子面積に照らせば、金属系粒子集合体〔ii〕に含まれる金属系粒子の数は、たとえば300個以上、さらには17500個以上となり得る。金属系粒子集合体〔ii〕における金属系粒子の数密度は、7個/μm2以上であることが好ましく、15個/μm2以上であることがより好ましい。 When applying the metal-based particle aggregate [ii] to the optical element as an enhancement element, in light of the general element area of the optical element, the number of metal-based particles included in the metal-based particle aggregate [ii] is, for example, It can be 300 or more, and further 17500 or more. The number density of metal particles in the metal particle aggregate [ii] is preferably 7 particles / μm 2 or more, and more preferably 15 particles / μm 2 or more.

(金属系粒子集合体〔iii〕)
金属系粒子集合体〔iii〕は、次の点において極めて有利である。
(Metal-based particle aggregate [iii])
The metal-based particle aggregate [iii] is extremely advantageous in the following points.

(a)プラズモンピークである可視光領域において最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度が、金属系粒子が何らの粒子間相互作用もなく単に集合した集合体とみなすことができる後述の参照金属系粒子集合体(Y)よりも大きく、したがって、極めて強いプラズモン共鳴を示すため、発光素子に適用した場合には、従来のプラズモン材料を用いる場合と比較して、より強い発光増強効果を得ることができ、これにより発光効率を飛躍的に高めることができる。また、光電変換素子に適用した場合には、この変換効率を飛躍的に高めることができる。このような強いプラズモン共鳴は、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用により発現したものと考えられる。   (A) The reference at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side in the visible light region, which is a plasmon peak, can be regarded as an aggregate in which metal-based particles are simply aggregated without any interparticle interaction. Since it is larger than the metal-based particle aggregate (Y) and thus exhibits extremely strong plasmon resonance, when applied to a light-emitting element, a stronger emission enhancement effect is obtained compared to the case of using a conventional plasmon material. As a result, the luminous efficiency can be dramatically increased. Further, when applied to a photoelectric conversion element, this conversion efficiency can be dramatically increased. Such strong plasmon resonance is considered to be expressed by the interaction between localized plasmons of metal-based particles.

上記のように、プラズモンピークの極大波長における吸光度値の大小から、そのプラズモン材料のプラズモン共鳴の強さを略式に評価することが可能であるが、金属系粒子集合体〔iii〕は、これをガラス基板上に積層した状態で吸光スペクトルを測定したとき、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が0.4以上、さらには0.7以上、なおさらには0.9以上となり得る。   As described above, from the magnitude of the absorbance value at the maximum wavelength of the plasmon peak, it is possible to roughly evaluate the intensity of the plasmon resonance of the plasmon material, but the metal-based particle aggregate [iii] When the absorption spectrum is measured in the state of being laminated on the glass substrate, the absorbance at the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region is 0.4 or more, further 0.7 or more, and even more preferably 0.8. It can be 9 or more.

上述のように、ある金属系粒子集合体と参照金属系粒子集合体(Y)との間で最も長波長側にあるピークの極大波長や該極大波長における吸光度を比較する場合には、両者について、顕微鏡(Nikon社製「OPTIPHOT−88」と分光光度計(大塚電子社製「MCPD−3000」)とを用い、測定視野を絞って吸光スペクトル測定を行なう。   As described above, when comparing the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side and the absorbance at the maximum wavelength between a certain metal-based particle assembly and the reference metal-based particle assembly (Y), Using a microscope ("OPTIPHOT-88" manufactured by Nikon Corporation) and a spectrophotometer ("MCPD-3000" manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.), the absorption spectrum is measured by narrowing the measurement field of view.

参照金属系粒子集合体(Y)は、吸光スペクトル測定の対象となる金属系粒子集合体が有する平均粒径、平均高さと同じ粒径、高さおよび同じ材質を有する金属系粒子Bを、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した金属系粒子集合体であって、ガラス基板に積層した状態で、上記の顕微鏡を利用した吸光スペクトル測定を行ない得る程度の大きさを有するものである。   The reference metal-based particle aggregate (Y) is obtained by replacing the metal-based particles B having the same average particle size, average particle size, height and same material as the average particle diameter of the metal-based particle aggregate that is the target of absorption spectrum measurement. An assembly of metal particles arranged such that the distances between the system particles are all within the range of 1 to 2 μm, and the absorption spectrum measurement using the above microscope can be performed in a state of being laminated on the glass substrate. It has a size.

吸光スペクトル測定の対象となる金属系粒子集合体と参照金属系粒子集合体(Y)との間で、最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度を比較する際には、以下に述べるように、同じ金属系粒子数になるように換算した参照金属系粒子集合体(Y)の吸光スペクトルを求め、当該吸光スペクトルにおける最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度を比較の対象とする。具体的には、金属系粒子集合体と参照金属系粒子集合体(Y)の吸光スペクトルをそれぞれ求め、それぞれの吸光スペクトルにおける最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度を、それぞれの被覆率(金属系粒子による基板表面の被覆率)で除した値を算出し、これらを比較する。   When comparing the absorbance at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side between the metal-based particle aggregate to be subjected to the absorption spectrum measurement and the reference metal-based particle aggregate (Y), the following is described. Next, an absorption spectrum of the reference metal-based particle aggregate (Y) converted so as to have the same number of metal-based particles is obtained, and the absorbance at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side in the absorption spectrum is used for comparison. . Specifically, the absorption spectrum of each of the metal-based particle assembly and the reference metal-based particle assembly (Y) is obtained, and the absorbance at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side in each of the absorption spectra is expressed as the coverage ratio. The value divided by (the coverage of the substrate surface with the metal particles) is calculated and compared.

また、金属系粒子集合体〔iii〕は、特定の形状を有する比較的大型な金属系粒子の特定数以上を二次元的に離間して配置した構造を有していることに起因して、(b)プラズモン共鳴の作用範囲(プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲)が著しく伸長され得る(上記金属系粒子集合体〔i〕の効果(2)と同様)、および(c)プラズモンピークの極大波長が特異なシフトを示し得る(上記金属系粒子集合体〔i〕の効果(3)と同様)、などの効果を奏し得る。   Further, the metal particle aggregate [iii] has a structure in which a specific number or more of relatively large metal particles having a specific shape are arranged two-dimensionally apart from each other, (B) The action range of plasmon resonance (the range in which the enhancement effect by plasmons can be extended) can be significantly extended (similar to the effect (2) of the metal-based particle aggregate [i] above), and (c) the maximum wavelength of the plasmon peak Can exhibit a peculiar shift (similar to the effect (3) of the metal-based particle aggregate [i]).

金属系粒子集合体〔iii〕(ガラス基板上に積層した状態)は、金属系粒子の形状や平均粒子間距離に応じて、吸光光度法によって測定される可視光領域における吸光スペクトルにおいて、最も長波長側にあるプラズモンピークが、たとえば350〜550nmの波長領域に極大波長を示し得る。また、金属系粒子集合体〔iii〕は、金属系粒子が十分に長い粒子間距離(たとえば1μm)を置いて配置される場合と比較して、典型的には30〜500nm程度(たとえば30〜250nm)のブルーシフトを生じ得る。   The metal-based particle aggregate [iii] (in the state of being laminated on the glass substrate) has the longest absorption spectrum in the visible light region measured by the absorptiometry according to the shape of the metal-based particles and the average interparticle distance. The plasmon peak on the wavelength side can exhibit a maximum wavelength in a wavelength region of 350 to 550 nm, for example. The metal-based particle aggregate [iii] is typically about 30 to 500 nm (for example 30 to 30 nm) as compared with the case where the metal-based particles are arranged with a sufficiently long inter-particle distance (for example, 1 μm). 250 nm) blue shift can occur.

金属系粒子集合体〔iii〕の具体的構成は、金属系粒子集合体〔i〕の具体的構成(金属系粒子の材質、平均粒径、平均高さ、アスペクト比、平均粒子間距離、金属系粒子の数、金属系粒子集合体の非導電性など)と基本的には同様であることができる。平均粒径、平均高さ、アスペクト比、平均粒子間距離などの用語の定義も金属系粒子集合体〔i〕と同じである。   The specific configuration of the metal-based particle aggregate [iii] is the specific configuration of the metal-based particle aggregate [i] (the material of the metal-based particles, the average particle diameter, the average height, the aspect ratio, the average interparticle distance, the metal The number of the system particles, the non-conductivity of the metal-based particle aggregate, etc.) can be basically the same. Definitions of terms such as average particle diameter, average height, aspect ratio, and average interparticle distance are the same as those for the metal-based particle aggregate [i].

金属系粒子の平均粒径は200〜1600nmの範囲内であり、上記〔iii〕の特徴(最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が参照金属系粒子集合体(Y)のそれよりも高いという特徴)、さらには上記(a)〜(c)の効果を効果的に得るために、好ましくは200〜1200nm、より好ましくは250〜500nm、さらに好ましくは300〜500nmの範囲内である。このように、比較的大型の金属系粒子を形成することが肝要であり、大型の金属系粒子の所定数(30個)以上を二次元的に配置した集合体とすることにより、著しく強いプラズモン共鳴、さらにはプラズモン共鳴の作用範囲の著しい伸長、短波長側へのプラズモンピークのシフトの実現が可能となる。金属系粒子の平均粒径は、金属系粒子集合体を増強要素として適用する光学素子の種類や金属系粒子を構成する材料の種類に応じて適切に選択されることが好ましい。   The average particle diameter of the metal-based particles is in the range of 200 to 1600 nm, and the above-mentioned feature [iii] (the absorbance at the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side is that of the reference metal-based particle aggregate (Y)). In order to effectively obtain the effects (a) to (c) above, it is preferably in the range of 200 to 1200 nm, more preferably 250 to 500 nm, still more preferably 300 to 500 nm. . Thus, it is important to form relatively large metal particles, and by forming an aggregate in which a predetermined number (30) or more of large metal particles are two-dimensionally arranged, extremely strong plasmons are obtained. It is possible to realize a significant extension of the action range of resonance and further plasmon resonance and shift of the plasmon peak to the short wavelength side. The average particle diameter of the metal-based particles is preferably selected appropriately depending on the type of optical element to which the metal-based particle aggregate is applied as an enhancement element and the type of material constituting the metal-based particles.

金属系粒子の平均高さは55〜500nmの範囲内であり、上記〔iii〕の特徴、さらには上記(a)〜(c)の効果を効果的に得るために、好ましくは55〜300nm、より好ましくは70〜150nmの範囲内である。金属系粒子のアスペクト比は1〜8の範囲内であり、金属系粒子集合体〔i〕と同様、この範囲内で金属系粒子集合体を増強要素として適用する光学素子の種類に応じて適切に選択することが好ましい。   The average height of the metal-based particles is in the range of 55 to 500 nm, and in order to effectively obtain the characteristics of [iii] above, and further the effects (a) to (c) above, preferably 55 to 300 nm, More preferably, it exists in the range of 70-150 nm. The aspect ratio of the metal-based particles is in the range of 1 to 8, and, as in the case of the metal-based particle aggregate [i], it is appropriate depending on the type of optical element to which the metal-based particle aggregate is applied as an enhancement element. It is preferable to select.

上記〔iii〕の特徴が効果的に得られることから、金属系粒子集合体〔iii〕を構成する金属系粒子は、それらの形状(平均粒径、平均高さ、アスペクト比)ができるだけ均一であることが好ましい。すなわち、金属系粒子の形状を均一にすることにより、プラズモンピークが先鋭化し、これに伴い、最も長波長側にあるプラズモンピークの吸光度が参照金属系粒子集合体(Y)のそれよりも高くなりやすくなる。金属系粒子間の形状のバラツキの低減は、金属系粒子集合体面内におけるプラズモン共鳴の強さの均一性の観点からも有利である。ただし上述のように、粒径に多少バラツキが生じたとしても、大型粒子間の距離が大きくなることは好ましくなく、その間を小型の粒子が埋めることで大型粒子間の相互作用を発現しやすくすることが好ましい。   Since the characteristics of [iii] can be effectively obtained, the metal-based particles constituting the metal-based particle aggregate [iii] are as uniform in shape (average particle diameter, average height, aspect ratio) as possible. Preferably there is. That is, by making the shape of the metal-based particles uniform, the plasmon peak is sharpened, and accordingly, the absorbance of the plasmon peak on the longest wavelength side is higher than that of the reference metal-based particle aggregate (Y). It becomes easy. Reduction of variation in shape between metal-based particles is advantageous from the viewpoint of uniformity of plasmon resonance strength in the plane of the metal-based particle assembly. However, as described above, even if there is some variation in the particle size, it is not preferable that the distance between the large particles increases, and the interaction between the large particles is facilitated by filling the space between the small particles. It is preferable.

金属系粒子集合体〔iii〕において金属系粒子は、平均粒子間距離が1〜150nmの範囲内となるように配置されることが好ましい。より好ましくは1〜100nm、さらに好ましくは1〜50nm、特に好ましくは1〜20nmの範囲内である。このように金属系粒子を密に配置することにより、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用が効果的に生じ、上記〔iii〕の特徴、さらには上記(a)〜(c)の効果を効果的に発現させることができる。平均粒子間距離が1nm未満であると、粒子間でデクスター機構に基づく電子移動が生じ、局在プラズモンの失活の点で不利となる。   In the metal particle aggregate [iii], the metal particles are preferably arranged so that the average interparticle distance is in the range of 1 to 150 nm. More preferably, it is 1-100 nm, More preferably, it is 1-50 nm, Most preferably, it exists in the range of 1-20 nm. By arranging the metal-based particles densely as described above, the interaction between the localized plasmons of the metal-based particles is effectively generated, and the characteristics of [iii] above, and further the effects (a) to (c) above. Can be effectively expressed. When the average interparticle distance is less than 1 nm, electron transfer based on the Dexter mechanism occurs between particles, which is disadvantageous in terms of deactivation of localized plasmons.

金属系粒子集合体〔iii〕に含まれる金属系粒子の数は30個以上であり、好ましくは50個以上である。金属系粒子を30個以上含む集合体を形成することにより、金属系粒子の局在プラズモン間の相互作用が効果的に生じ、上記〔iii〕の特徴、さらには上記(a)〜(c)の効果を効果的に発現させることができる。   The number of metal particles contained in the metal particle aggregate [iii] is 30 or more, and preferably 50 or more. By forming an aggregate containing 30 or more metal-based particles, an interaction between localized plasmons of the metal-based particles is effectively generated, and the characteristics of [iii] above, and further the above (a) to (c) The effect of can be expressed effectively.

金属系粒子集合体〔iii〕を増強要素として光学素子に適用する場合、光学素子の一般的な素子面積に照らせば、金属系粒子集合体〔iii〕に含まれる金属系粒子の数は、たとえば300個以上、さらには17500個以上となり得る。金属系粒子集合体〔iii〕における金属系粒子の数密度は、7個/μm2以上であることが好ましく、15個/μm2以上であることがより好ましい。 When the metal-based particle aggregate [iii] is applied to the optical element as an enhancement element, in light of the general element area of the optical element, the number of metal-based particles included in the metal-based particle aggregate [iii] is, for example, It can be 300 or more, and further 17500 or more. The number density of the metal particles in the metal particle aggregate [iii] is preferably 7 particles / μm 2 or more, and more preferably 15 particles / μm 2 or more.

以上のように、金属系粒子集合体〔iii〕は、これを構成する金属系粒子の金属種、形状、金属系粒子間の平均距離などの制御により得ることができる。   As described above, the metal-based particle aggregate [iii] can be obtained by controlling the metal species and shape of the metal-based particles constituting the metal-based particle aggregate [iii] and the average distance between the metal-based particles.

本発明の製造方法によって得ることができる光学素子の増強要素として好適な金属系粒子集合体は、より好ましくは〔i〕〜〔iii〕のいずれか2つ以上の特徴を有し、さらに好ましくは〔i〕〜〔iii〕のすべての特徴を有する。   The metal-based particle aggregate suitable as an enhancement element of the optical element obtainable by the production method of the present invention more preferably has any two or more features of [i] to [iii], and more preferably It has all the features [i] to [iii].

上述のように、本発明の製造方法が金属系粒子集合体形成工程(B)の後に絶縁層形成工程を含み、金属系粒子集合体の薄膜上に、各金属系粒子の表面を覆う絶縁層を形成してもよい。このような絶縁層は、上述した金属系粒子集合体の非導電性(金属系粒子間の非導電性)を担保するうえで好ましいだけでなく、金属系粒子集合体を光学素子に適用する場合にも好ましい。すなわち、電気エネルギー駆動の発光素子や光電変換素子等の光学素子では、これを構成する各層に電流が流れるが、金属系粒子集合体に電流が流れてしまうと、プラズモン共鳴による増強効果が十分に得られないおそれがある。金属系粒子集合体をキャップする絶縁層を設けることにより、光学素子に適用した場合においても金属系粒子集合体と、これに隣接する光学素子の構成層との間の電気的絶縁を図ることができるため、金属系粒子集合体を構成する金属系粒子に電流が注入されることを防止することができる。   As described above, the production method of the present invention includes an insulating layer forming step after the metal-based particle assembly forming step (B), and covers the surface of each metal-based particle on the thin film of the metal-based particle assembly. May be formed. Such an insulating layer is not only preferable for ensuring the non-conductivity (non-conductivity between metal-based particles) of the metal-based particle assembly described above, but also when the metal-based particle assembly is applied to an optical element. Also preferred. That is, in an optical element such as an electric energy-driven light-emitting element or photoelectric conversion element, a current flows in each layer constituting the element, but if the current flows in the metal-based particle aggregate, the enhancement effect by plasmon resonance is sufficient. May not be obtained. By providing an insulating layer that caps the metal-based particle aggregate, electrical insulation between the metal-based particle aggregate and the constituent layer of the optical element adjacent thereto can be achieved even when applied to an optical element. Therefore, current can be prevented from being injected into the metal-based particles constituting the metal-based particle aggregate.

絶縁層を構成する材料としては、良好な絶縁性を有するものであれば特に制限されず、たとえば、スピンオングラス(SOG;たとえば有機シロキサン材料を含有するもの)のほか、SiO2やSi34などを用いることができる。絶縁層の厚みは、所望の絶縁性が確保される限り特に制限はないが、後述するように光学素子に適用したときの活性層(たとえば発光素子の発光層や光電変換素子の光吸収層)と金属系粒子集合体との距離は近いほど好ましいことから、所望の絶縁性が確保される範囲で薄いほどよい。 The material constituting the insulating layer is not particularly limited as long as it has good insulating properties. For example, in addition to spin-on glass (SOG; for example, containing an organic siloxane material), SiO 2 or Si 3 N 4 Etc. can be used. The thickness of the insulating layer is not particularly limited as long as desired insulating properties are ensured, but an active layer when applied to an optical element as described later (for example, a light emitting layer of a light emitting element or a light absorbing layer of a photoelectric conversion element). Since the distance between the metal particle aggregate and the metal-based particle aggregate is preferably as short as possible, it is preferable that the distance is as small as possible within a range in which desired insulation is ensured.

本発明の製造方法によって得られる金属系粒子集合体は、これを製造する際に用いる基板と一体化した状態で、各種光学素子に組み込むことができる。   The metal-based particle aggregate obtained by the production method of the present invention can be incorporated into various optical elements in a state of being integrated with a substrate used for producing the metal-based particle aggregate.

上述のように、本発明の製造方法によって得ることができる金属系粒子集合体〔i〕〜〔iii〕は、極めて強いプラズモン共鳴を示し、さらにはプラズモン共鳴の作用範囲(プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲)が著しく伸長されているため、たとえば、10nm以上、さらには20nm以上、なおさらにはそれ以上の厚みを有する活性層の全体を増強させることが可能である。また、たとえば10nm、さらには数十nm(たとえば20nm)、なおさらには数百nm以上離れた位置に配置された活性層をも、極めて効果的に増強することができる。   As described above, the metal-based particle aggregates [i] to [iii] that can be obtained by the production method of the present invention exhibit extremely strong plasmon resonance, and further, the action range of plasmon resonance (range of enhancement effect by plasmon) For example, the entire active layer having a thickness of 10 nm or more, further 20 nm or more, and even more can be enhanced. In addition, the active layer disposed at a position separated by, for example, 10 nm, further several tens of nm (for example, 20 nm), or even several hundred nm or more can be enhanced extremely effectively.

なお、プラズモンによる増強効果は、その性質上、活性層と金属系粒子集合体との距離が大きくなるほど小さくなる傾向にあることから、当該距離は小さいほど好ましい。活性層と金属系粒子集合体との距離は、好ましくは100nm以下であり、より好ましくは20nm以下であり、さらに好ましくは10nm以下である。   In addition, since the enhancement effect by plasmon tends to become smaller as the distance between the active layer and the metal-based particle aggregate increases, the smaller the distance, the better. The distance between the active layer and the metal-based particle aggregate is preferably 100 nm or less, more preferably 20 nm or less, and further preferably 10 nm or less.

活性層が示す発光波長(たとえば発光素子の場合)または吸収波長(たとえば光電変換素子の場合)の極大波長は、金属系粒子集合体のプラズモンピークの極大波長と一致するかまたは近いことが好ましい。これにより、プラズモン共鳴による増強効果をより効果的に高めることができる。金属系粒子集合体のプラズモンピークの極大波長は、これを構成する金属系粒子の金属種、平均粒径、平均高さ、アスペクト比および/または平均粒子間距離の調整により制御可能である。   The maximum wavelength of the emission wavelength (for example, in the case of a light emitting device) or the absorption wavelength (for example in the case of a photoelectric conversion device) exhibited by the active layer is preferably equal to or close to the maximum wavelength of the plasmon peak of the metal-based particle aggregate. Thereby, the enhancement effect by plasmon resonance can be enhanced more effectively. The maximum wavelength of the plasmon peak of the metal particle aggregate can be controlled by adjusting the metal species, average particle diameter, average height, aspect ratio and / or average particle distance of the metal particles constituting the metal particle aggregate.

上記発光層は、たとえば、1)色素分子を平面状に配置した単分子膜からなるもの、2)マトリックス中に色素分子をドープしてなるもの、3)発光性低分子からなるもの、4)発光性高分子からなるもの、などであることができる。   The light emitting layer is, for example, 1) composed of a monomolecular film in which dye molecules are arranged in a plane, 2) composed of a matrix doped with dye molecules, 3) composed of a light emitting low molecule, 4) It can be made of a light-emitting polymer.

1)の発光層は、色素分子含有液をスピンコートした後、溶媒を除去する方法により得ることができる。色素分子の具体例は、Exciton社から販売されているローダミン101、ローダミン110、ローダミン560、ローダミン6G、ローダミンB、ローダミン640、ローダミン700等のローダミン系色素、Exciton社から販売されているクマリン503等のクマリン系色素などを含む。   The light emitting layer of 1) can be obtained by a method of removing the solvent after spin-coating the dye molecule-containing liquid. Specific examples of the dye molecule include rhodamine 101, rhodamine 110, rhodamine 560, rhodamine 6G, rhodamine B, rhodamine 640, rhodamine 700 and other rhodamine dyes sold by Exciton, coumarin 503 sold by Exciton, etc. Including coumarin pigments.

2)の発光層は、色素分子およびマトリックス材料を含有する液をスピンコートした後、溶媒を除去する方法により得ることができる。マトリックス材料としては、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチルのような透明高分子を用いることができる。色素分子の具体例は1)の発光層と同様であることができる。   The light emitting layer of 2) can be obtained by a method of spin-coating a liquid containing dye molecules and a matrix material and then removing the solvent. As the matrix material, a transparent polymer such as polyvinyl alcohol or polymethyl methacrylate can be used. Specific examples of the dye molecule can be the same as those in the light emitting layer of 1).

3)の発光層は、スピンコート法、蒸着法をはじめとするドライまたはウェット成膜法によって得ることができる。発光性低分子の具体例は、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム錯体〔トリス(8−ヒドロキシキノリン)アルミニウム錯体;Alq3〕、ビス(ベンゾキノリノラト)ベリリウム錯体〔BeBq〕などを含む。 The light emitting layer 3) can be obtained by a dry or wet film forming method including a spin coating method and a vapor deposition method. Specific examples of the light-emitting small molecule include tris (8-quinolinolato) aluminum complex [tris (8-hydroxyquinoline) aluminum complex; Alq 3 ], bis (benzoquinolinolato) beryllium complex [BeBq] and the like.

4)の発光層は、スピンコート法など、発光性高分子含有液を用いたウェット成膜法によって得ることができる。発光性高分子の具体例は、F8BT〔ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン−alt−ベンゾチアジアゾール)〕、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリアルキルチオフェンのようなπ共役系高分子などを含む。   The light emitting layer of 4) can be obtained by a wet film forming method using a light emitting polymer-containing liquid such as a spin coat method. Specific examples of the light-emitting polymer include π-conjugated polymers such as F8BT [poly (9,9-dioctylfluorene-alt-benzothiadiazole)], poly (p-phenylenevinylene), and polyalkylthiophene.

以上、本発明の製造方法によって得ることができる金属系粒子集合体として、主に金属系粒子集合体〔i〕〜〔iii〕について説明したが、本発明の製造方法によって得ることができる金属系粒子集合体は、それが有する金属系粒子の数、金属系粒子の形状(平均粒径、平均高さ、アスペクト比)、平均粒子間距離のいずれか1つ以上が上記した範囲内にないものであってもよい。このような金属系粒子集合体は、プラズモンによる増強効果の面で金属系粒子集合体〔i〕〜〔iii〕ほどの有利性を持たないことがあるが、それでもなお、従来のプラズモン材料と同等またはそれ以上の増強効果を示し得るため、光学素子の増強要素に適用可能である。   The metal-based particle aggregates [i] to [iii] have been mainly described as the metal-based particle aggregates that can be obtained by the production method of the present invention. However, the metal-based particle aggregates that can be obtained by the production method of the present invention. A particle aggregate is one in which any one or more of the number of metal particles, shape of metal particles (average particle diameter, average height, aspect ratio), and average interparticle distance are not within the above range. It may be. Such metal-based particle aggregates may not be as advantageous as the metal-based particle aggregates [i] to [iii] in terms of the enhancement effect by plasmons, but they are still equivalent to conventional plasmon materials Or, since it can exhibit a further enhancement effect, it can be applied to an enhancement element of an optical element.

また、本発明の金属系粒子集合体および金属系粒子集合体積層基板は、分析用途や色材用途としても使用することが可能である。分析用途としては、表面増強ラマン散乱を利用した表面増強ラマン分光法への適用が挙げられる。色材用途としては、各種物品(自動車や陶磁器等)への色彩付与材としての用途を挙げることができる。また、カラーフィルターとして用いれば、顔料や色素では実現困難な演色が可能となる。カラーフィルターとしては、たとえば特定波長の光のみを透過したり、特定波長の光を遮断したりするフィルターが挙げられる。   Moreover, the metal-based particle assembly and the metal-based particle assembly laminated substrate of the present invention can be used for analysis applications and color material applications. The analytical application includes application to surface enhanced Raman spectroscopy using surface enhanced Raman scattering. Examples of the color material use include use as a color imparting material for various articles (automobiles, ceramics, etc.). In addition, when used as a color filter, color rendering that is difficult to achieve with pigments and pigments can be achieved. Examples of the color filter include a filter that transmits only light having a specific wavelength or blocks light having a specific wavelength.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、熱処理前の銀膜の平均厚みは、ピンセットで金属系膜の外側表面に基板まで至る剥離線(傷)を設け、この剥離線における金属系膜の断面および金属系膜と基板との界面を含むAFM画像を取得し、このAFM画像に基づいて基板の金属系膜側表面から金属系膜の外側表面までの距離を無作為に10点求めたときの、これら10点の平均値として算出した。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these Examples. In addition, the average thickness of the silver film before the heat treatment is such that a peeling line (scratch) reaching the substrate is provided on the outer surface of the metal film with tweezers, and the cross section of the metal film at the peeling line and the interface between the metal film and the substrate Is obtained as an average value of 10 points when the distance from the metal film side surface of the substrate to the outer surface of the metal film is randomly determined based on the AFM image. did.

<実施例1>
(1)金属系粒子集合体の作製
銀ナノ粒子水分散液(三菱製紙社製、銀ナノ粒子濃度:25重量%、銀ナノ粒子の平均粒径:15nm)を純水で、銀ナノ粒子濃度が2重量%となるように希釈した。次いで、この希釈された銀ナノ粒子水分散液に対して1体積%の界面活性剤を添加して良く攪拌した後、得られた銀ナノ粒子水分散液に対して80体積%のアセトンを添加して常温で十分撹拌し、塗布液を調製した。
<Example 1>
(1) Preparation of metal-based particle aggregate Silver nanoparticle aqueous dispersion (manufactured by Mitsubishi Paper Industries, Ltd., silver nanoparticle concentration: 25% by weight, average particle diameter of silver nanoparticles: 15 nm) with pure water, silver nanoparticle concentration Was diluted to 2% by weight. Next, after adding 1% by volume of the surfactant to the diluted silver nanoparticle aqueous dispersion and stirring well, 80% by volume of acetone was added to the obtained silver nanoparticle aqueous dispersion. The mixture was sufficiently stirred at room temperature to prepare a coating solution.

次に、表面をアセトン拭きした1mm厚のソーダガラス基板上に上記塗布液を1000rpmでスピンコートした後、そのまま大気中で1分間放置した。得られた銀膜の平均厚みは21.6nmであった。その後、銀膜が形成されたソーダガラス基板を550℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で40秒間熱処理(焼成)を行ない、金属系粒子集合体1−1を得た。   Next, after spin-coating the said coating liquid at 1000 rpm on the 1-mm-thick soda glass board | substrate which wiped the surface with acetone, it was left to stand in air | atmosphere for 1 minute as it was. The average thickness of the obtained silver film was 21.6 nm. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver film was formed was placed in an electric furnace at 550 ° C., and was subjected to heat treatment (firing) for 40 seconds in an air atmosphere to obtain a metal-based particle assembly 1-1.

次いで、得られた金属系粒子集合体1−1上に再度、上記塗布液を1000rpmでスピンコートした後、そのまま大気中で1分間放置した。その後、銀膜および金属系粒子集合体1−1が形成されたソーダガラス基板を550℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で40秒間熱処理(焼成)を行ない、金属系粒子集合体1−2を得た。   Next, the coating solution was spin-coated again at 1000 rpm on the obtained metal-based particle assembly 1-1, and then left as it was in the atmosphere for 1 minute. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver film and the metal-based particle aggregate 1-1 are formed is placed in an electric furnace at 550 ° C. and subjected to heat treatment (firing) for 40 seconds in an air atmosphere. 2 was obtained.

次いで、得られた金属系粒子集合体1−2上に再度、上記塗布液を1000rpmでスピンコートした後、そのまま大気中で1分間放置した。その後、銀膜および金属系粒子集合体1−2が形成されたソーダガラス基板を550℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で40秒間熱処理(焼成)を行ない、金属系粒子集合体1−3を得た。   Next, the coating solution was spin-coated again at 1000 rpm on the obtained metal-based particle aggregate 1-2, and then left as it was in the atmosphere for 1 minute. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver film and the metal-based particle aggregate 1-2 are formed is placed in an electric furnace at 550 ° C. and subjected to heat treatment (firing) for 40 seconds in an air atmosphere. 3 was obtained.

図2は、金属系粒子集合体1−1を示すAFM画像である。AFM画像撮影にはキーエンス社製「VN−8010」を用いた(以下同じ。)。このAFM画像の画像サイズは5μm×5μmである(以下のAFM画像においても同じ。)。このAFM画像より、金属系粒子集合体1−1を構成する銀粒子の平均高さは62.4nmと求められた。   FIG. 2 is an AFM image showing the metal-based particle aggregate 1-1. “VN-8010” manufactured by Keyence Corporation was used for AFM image shooting (the same applies hereinafter). The image size of this AFM image is 5 μm × 5 μm (the same applies to the following AFM images). From this AFM image, the average height of the silver particles constituting the metal-based particle aggregate 1-1 was determined to be 62.4 nm.

図3は、金属系粒子集合体1−2を直上から見たときのSEM画像である。図3(a)は10000倍スケールの拡大像であり、図3(b)は50000倍スケールの拡大像である。また図4は、金属系粒子集合体1−2を示すAFM画像である。図3に示されるSEM画像より、金属系粒子集合体1−2を構成する銀粒子の平均粒径は293nm、平均粒子間距離は107.8nmと求められた。また図4に示されるAFM画像より、平均高さは93.0nmと求められた。これらより銀粒子のアスペクト比(平均粒径/平均高さ)は3.15と算出され、また、取得した画像からも銀粒子は扁平形状を有していることがわかる。さらにSEM画像より、金属系粒子集合体1−2は、約3.13×1010個(約12.5個/μm2)の銀粒子を有することがわかる。 FIG. 3 is an SEM image when the metal-based particle aggregate 1-2 is viewed from directly above. FIG. 3A is an enlarged image on a 10000 times scale, and FIG. 3B is an enlarged image on a 50000 times scale. FIG. 4 is an AFM image showing the metal-based particle aggregate 1-2. From the SEM image shown in FIG. 3, the average particle size of the silver particles constituting the metal-based particle assembly 1-2 was determined to be 293 nm, and the average interparticle distance was determined to be 107.8 nm. From the AFM image shown in FIG. 4, the average height was determined to be 93.0 nm. From these, the aspect ratio (average particle diameter / average height) of the silver particles is calculated to be 3.15, and it can be seen from the acquired image that the silver particles have a flat shape. Furthermore, it can be seen from the SEM image that the metal-based particle aggregate 1-2 has about 3.13 × 10 10 (about 12.5 particles / μm 2 ) silver particles.

図5は、金属系粒子集合体1−3を示すAFM画像である。このAFM画像より、金属系粒子集合体1−3を構成する銀粒子の平均高さは140.7nmと求められた。   FIG. 5 is an AFM image showing the metal-based particle aggregate 1-3. From this AFM image, the average height of the silver particles constituting the metal-based particle assembly 1-3 was determined to be 140.7 nm.

また、金属系粒子集合体1−1〜1−3について、その表面にテスター〔マルチメーター(ヒューレット・パッカード社製「E2378A」〕を接続して導電性を確認したところ、導電性を有しないことが確認された。   Moreover, about the metallic particle aggregates 1-1 to 1-3, when a tester [multimeter (“E2378A” manufactured by Hewlett-Packard Co., Ltd.)] is connected to the surface thereof to confirm the conductivity, the metal particle aggregates 1-1 to 1-3 have no conductivity. Was confirmed.

(2)金属系粒子集合体1−2の吸光スペクトル測定
図6は、金属系粒子集合体1−2(基板に積層された状態)の吸光光度法により測定された吸光スペクトルである。非特許文献(K. Lance Kelly, et al., "The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment", The Journal of Physical Chemistry B, 2003, 107, 668)に示されているように、扁平形状の銀粒子は、集合体ではなく単独である場合において、平均粒径が200nmのとき約550nm付近に、平均粒径が300nmのときは650nm付近にプラズモンピークを持つことが一般的である。
(2) Measurement of Absorption Spectrum of Metal Particle Aggregation 1-2 FIG. 6 is an absorption spectrum measured by an absorptiometry of the metal particle aggregate 1-2 (in a state of being laminated on the substrate). Non-patent literature (K. Lance Kelly, et al., "The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment", The Journal of Physical Chemistry B, 2003, 107, 668) As shown in the figure, when the flat silver particles are not aggregates but alone, they have a plasmon peak around 550 nm when the average particle size is 200 nm and around 650 nm when the average particle size is 300 nm. It is common.

一方、金属系粒子集合体1−2は、これを構成する銀粒子の平均粒径が約300nm(293nm)であるにもかかわらず、図6に示されるように、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長は488nmと、短波長側にシフトしていることがわかる。この現象は、所定数以上の銀粒子が上記所定の形状を有しており、しかも銀粒子が好ましいことに極めて密に配置されているためであると考えられる。また、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が約0.45と、強いプラズモン共鳴を示すことがわかる。   On the other hand, the metal-based particle aggregate 1-2 has the longest wavelength in the visible light region, as shown in FIG. 6, even though the average particle diameter of the silver particles constituting the metal-based particle aggregate 1-2 is about 300 nm (293 nm). It can be seen that the maximum wavelength of the plasmon peak on the side is 488 nm, shifted to the short wavelength side. This phenomenon is considered to be because a predetermined number or more of silver particles have the above-mentioned predetermined shape, and the silver particles are preferably arranged very densely. It can also be seen that the absorbance at the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region is about 0.45, indicating strong plasmon resonance.

なお、図6に示される吸光スペクトルは、金属系粒子集合体が積層されたガラス基板の裏面側(金属系粒子集合体とは反対側)であって、基板面に垂直な方向から紫外〜可視光領域の入射光を照射し、金属系粒子集合体側に透過した全方向における透過光の強度Iと、上記基板と同じ厚み、材質の基板であって、金属系粒子集合体が積層されていない基板の面に垂直な方向から先と同じ入射光を照射し、入射面の反対側から透過した全方向における透過光の強度I0を、それぞれ積分球分光光度計を用いて測定することによって得られたものである。縦軸の吸光度は、下記式:
吸光度=−log10(I/I0
で表される。
The absorption spectrum shown in FIG. 6 is the back side of the glass substrate on which the metal-based particle aggregates are laminated (the side opposite to the metal-based particle aggregates), and is ultraviolet to visible from the direction perpendicular to the substrate surface. Irradiated with light in the light region and transmitted to the metallic particle aggregate side in all directions, the transmitted light intensity I is the same thickness and material as the substrate, and the metallic particle aggregate is not laminated. It is obtained by irradiating the same incident light from the direction perpendicular to the surface of the substrate and measuring the intensity I 0 of transmitted light in all directions transmitted from the opposite side of the incident surface using an integrating sphere spectrophotometer. It is what was done. The absorbance on the vertical axis is the following formula:
Absorbance = −log 10 (I / I 0 )
It is represented by

(3)参照金属系粒子集合体の作製およびその吸光スペクトル測定
図7に示される方法に従って、参照金属系粒子集合体が積層された基板を作製した。まず、縦5cm、横5cmのソーダガラスからなる基板100のおよそ全面にレジスト(日本ゼオン株式会社製 ZEP520A)をスピンコートした(図7(a))。レジスト400の厚みは約120nmとした。次に、電子ビームリソグラフィーによってレジスト400に円形開口401を形成した(図7(b))。円形開口401の直径は約350nmとした。また、隣り合う円形開口401の中心間距離は約1500nmとした。
(3) Preparation of reference metal-based particle aggregate and measurement of absorption spectrum thereof A substrate on which the reference metal-based particle aggregate was laminated was manufactured according to the method shown in FIG. First, a resist (ZEP520A manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was spin-coated on approximately the entire surface of a substrate 100 made of soda glass having a length of 5 cm and a width of 5 cm (FIG. 7A). The thickness of the resist 400 was about 120 nm. Next, a circular opening 401 was formed in the resist 400 by electron beam lithography (FIG. 7B). The diameter of the circular opening 401 was about 350 nm. The distance between the centers of the adjacent circular openings 401 was set to about 1500 nm.

ついで、円形開口401を有するレジスト400に、真空蒸着法により銀膜410を蒸着した(図7(c))。銀膜410の膜厚は約100nmとした。最後に、銀膜410を有する基板をNMP(東京化成工業製 N−メチル−2−ピロリドン)に浸漬し、超音波装置内で1分間常温静置することによりレジスト400およびレジスト400上に成膜された銀膜410を剥離して、円形開口401内の銀膜410(銀粒子)のみが基板100上に残存、積層された参照金属系粒子集合体を得た(図7(d))。   Next, a silver film 410 was deposited on the resist 400 having the circular opening 401 by a vacuum deposition method (FIG. 7C). The film thickness of the silver film 410 was about 100 nm. Finally, the substrate having the silver film 410 is dipped in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and left at room temperature in an ultrasonic device for 1 minute to form a film on the resist 400 and the resist 400. The formed silver film 410 was peeled off, and only the silver film 410 (silver particles) in the circular opening 401 remained on the substrate 100 to obtain a laminated reference metal particle aggregate (FIG. 7D).

図8は、得られた参照金属系粒子集合体を直上から見たときのSEM画像である。図8(a)は20000倍スケールの拡大像であり、図8(b)は50000倍スケールの拡大像である。図8に示されるSEM画像より、参照金属系粒子集合体を構成する銀粒子の上記定義に基づく平均粒径は333nm、平均粒子間距離は1264nmと求められた。また別途取得したAFM画像より、平均高さは105.9nmと求められた。またSEM画像より、参照金属系粒子集合体は、約62500個の銀粒子を有することがわかった。   FIG. 8 is an SEM image when the obtained reference metal-based particle aggregate is viewed from directly above. FIG. 8A is an enlarged image on a 20000 times scale, and FIG. 8B is an enlarged image on a 50000 times scale. From the SEM image shown in FIG. 8, the average particle diameter based on the above definition of the silver particles constituting the reference metal-based particle aggregate was determined to be 333 nm, and the average interparticle distance was 1264 nm. The average height was determined to be 105.9 nm from the separately acquired AFM image. Further, from the SEM image, it was found that the reference metal-based particle aggregate had about 62500 silver particles.

(4)金属系粒子集合体1−2と参照金属系粒子集合体との吸光スペクトル測定比較
上述した顕微鏡の対物レンズ(100倍)を用いた測定法により、金属系粒子集合体1−2(基板に積層された状態)の吸光スペクトル測定を行なった。具体的には、図9を参照して、金属系粒子集合体積層基板500の基板501側(金属系粒子集合体502とは反対側)であって、基板面に垂直な方向から可視光領域の入射光を照射した。そして、金属系粒子集合体502側に透過し、かつ100倍の対物レンズ600に到達した透過光を対物レンズ600で集光し、この集光光を分光光度計700によって検出して吸光スペクトルを得た。分光光度計700には大塚電子社製の紫外可視分光光度計「MCPD−3000」を、対物レンズ600にはNikon社製の「BD Plan 100/0.80 ELWD」を用いた。
(4) Absorption spectrum measurement comparison between the metal-based particle assembly 1-2 and the reference metal-based particle assembly According to the measurement method using the above-described microscope objective lens (100 times), the metal-based particle assembly 1-2 ( The absorption spectrum was measured in the state of being laminated on the substrate. Specifically, referring to FIG. 9, the substrate 501 side (the side opposite to metal-based particle assembly 502) of metal-based particle assembly laminated substrate 500 is a visible light region from a direction perpendicular to the substrate surface. Of incident light. Then, the transmitted light that has passed through the metal-based particle aggregate 502 side and reached the 100 × objective lens 600 is collected by the objective lens 600, and this condensed light is detected by the spectrophotometer 700 to obtain an absorption spectrum. Obtained. The spectrophotometer 700 was an ultraviolet-visible spectrophotometer “MCPD-3000” manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd., and the objective lens 600 was a “BD Plan 100 / 0.80 ELWD” manufactured by Nikon.

その結果、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長は516nmであった。一方、同じく顕微鏡の対物レンズを用いた測定法により参照金属系粒子集合体の吸光スペクトル測定を行なったところ、可視光領域において最も長波長側にあるピークの極大波長は654nmであった。金属系粒子集合体1−2は、参照金属系粒子集合体と比べて、可視光領域において最も長波長側にあるピークの極大波長が約170nmブルーシフトしている。   As a result, the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region was 516 nm. On the other hand, when the absorption spectrum of the reference metal-based particle aggregate was measured by the same measurement method using a microscope objective lens, the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side in the visible light region was 654 nm. In the metal-based particle assembly 1-2, the peak maximum wavelength on the longest wavelength side in the visible light region is blue-shifted by about 170 nm compared to the reference metal-based particle assembly.

金属系粒子集合体1−2は、上記顕微鏡の対物レンズ(100倍)を用いた測定法によれば、可視光領域において最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度が0.563であり、参照金属系粒子集合体は0.033であった。金属系粒子集合体1−2と参照金属系粒子集合体との間で最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度を比較するにあたって同じ金属系粒子数での比較となるようにするために、吸光スペクトルから得られる吸光度を、金属系粒子数に相当するパラメータである、金属系粒子による基板表面の被覆率で除して、吸光度/被覆率を算出した。金属系粒子集合体1−2の吸光度/被覆率は1.04であり(被覆率54.2%)、参照金属系粒子集合体の吸光度/被覆率は0.84であった(被覆率3.9%)。   According to the measurement method using the objective lens (100 times) of the microscope, the metal-based particle aggregate 1-2 has an absorbance at a maximum wavelength of a peak on the longest wavelength side in the visible light region of 0.563. The reference metal-based particle aggregate was 0.033. To compare the absorbance at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side between the metal-based particle assembly 1-2 and the reference metal-based particle assembly so as to make a comparison with the same number of metal-based particles The absorbance / coverage was calculated by dividing the absorbance obtained from the absorption spectrum by the coverage of the substrate surface with metal particles, which is a parameter corresponding to the number of metal particles. The absorbance / coverage of the metal-based particle assembly 1-2 was 1.04 (coverage 54.2%), and the absorbance / coverage of the reference metal-based particle assembly was 0.84 (coverage 3). .9%).

<実施例2〜4>
(1)金属系粒子集合体の作製
銀ナノ粒子水分散液(三菱製紙社製、銀ナノ粒子濃度:25重量%、銀ナノ粒子の平均粒径:15nm)を純水で、銀ナノ粒子濃度が2重量%となるように希釈した。次いで、この希釈された銀ナノ粒子水分散液に対して1体積%の界面活性剤を添加して良く攪拌した後、得られた銀ナノ粒子水分散液に対して80体積%のアセトンを添加して常温で十分撹拌し、塗布液を調製した。
<Examples 2 to 4>
(1) Preparation of metal-based particle aggregate Silver nanoparticle aqueous dispersion (manufactured by Mitsubishi Paper Industries, Ltd., silver nanoparticle concentration: 25% by weight, average particle diameter of silver nanoparticles: 15 nm) with pure water, silver nanoparticle concentration Was diluted to 2% by weight. Next, after adding 1% by volume of the surfactant to the diluted silver nanoparticle aqueous dispersion and stirring well, 80% by volume of acetone was added to the obtained silver nanoparticle aqueous dispersion. The mixture was sufficiently stirred at room temperature to prepare a coating solution.

次に、表面をアセトン拭きした1mm厚のソーダガラス基板上に上記塗布液を1500rpmでスピンコートした後、そのまま大気中で1分間放置した。得られた銀膜の平均厚みは18.0nmであった。その後、銀膜が形成されたソーダガラス基板を550℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で8分間熱処理(焼成)を行ない、金属系粒子集合体2を得た(実施例2)。   Next, the coating solution was spin-coated at 1500 rpm on a 1 mm thick soda glass substrate whose surface was wiped with acetone, and then left in the atmosphere for 1 minute. The average thickness of the obtained silver film was 18.0 nm. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver film was formed was placed in an electric furnace at 550 ° C., and was subjected to heat treatment (firing) for 8 minutes in an air atmosphere to obtain a metal-based particle aggregate 2 (Example 2).

また、三菱製紙社製の銀ナノ粒子水分散液を純水で、銀ナノ粒子濃度がそれぞれ4重量%、6重量%となるように希釈したこと以外は実施例2と同様にして金属系粒子集合体3および4を得た(それぞれ実施例3および4)。実施例3における熱処理前の銀膜の平均厚みは24.3nmであり、実施例4では28.2nmであった。   Further, metal-based particles were prepared in the same manner as in Example 2 except that the silver nanoparticle aqueous dispersion manufactured by Mitsubishi Paper Industries was diluted with pure water so that the silver nanoparticle concentrations were 4 wt% and 6 wt%, respectively. Aggregates 3 and 4 were obtained (Examples 3 and 4 respectively). The average thickness of the silver film before heat treatment in Example 3 was 24.3 nm, and in Example 4 it was 28.2 nm.

図10は、金属系粒子集合体2を示すAFM画像である。このAFM画像より、金属系粒子集合体2を構成する銀粒子の平均高さは8.5nmと求められた。   FIG. 10 is an AFM image showing the metal-based particle assembly 2. From this AFM image, the average height of the silver particles constituting the metal-based particle assembly 2 was determined to be 8.5 nm.

図11は、金属系粒子集合体4を直上から見たときのSEM画像であり、10000倍スケールの拡大像である。また図12は、金属系粒子集合体4を示すAFM画像である。図11に示されるSEM画像より、金属系粒子集合体4を構成する銀粒子の平均粒径は278nm、平均粒子間距離は195.5nmと求められた。また図12に示されるAFM画像より、平均高さは99.5nmと求められた。これらより銀粒子のアスペクト比(平均粒径/平均高さ)は2.79と算出され、また、取得した画像からも銀粒子は扁平形状を有していることがわかる。さらにSEM画像より、金属系粒子集合体4は、約2.18×1010個(約8.72個/μm2)の銀粒子を有することがわかる。 FIG. 11 is an SEM image when the metal-based particle assembly 4 is viewed from directly above, and is an enlarged image on a 10000 times scale. FIG. 12 is an AFM image showing the metal-based particle assembly 4. From the SEM image shown in FIG. 11, the average particle diameter of the silver particles constituting the metal-based particle assembly 4 was determined to be 278 nm, and the average interparticle distance was determined to be 195.5 nm. From the AFM image shown in FIG. 12, the average height was determined to be 99.5 nm. From these, the aspect ratio (average particle diameter / average height) of the silver particles is calculated to be 2.79, and it can be seen from the acquired image that the silver particles have a flat shape. Furthermore, it can be seen from the SEM image that the metal-based particle aggregate 4 has about 2.18 × 10 10 (about 8.72 particles / μm 2 ) silver particles.

また、金属系粒子集合体2〜4について、その表面にテスター〔マルチメーター(ヒューレット・パッカード社製「E2378A」〕を接続して導電性を確認したところ、導電性を有しないことが確認された。   Moreover, about the metal-type particle aggregates 2-4, when the tester [Multimeter ("E2378A" made by Hewlett-Packard Co., Ltd.)] was connected to the surface and the conductivity was confirmed, it was confirmed that there was no conductivity. .

(2)金属系粒子集合体2〜4の吸光スペクトル測定
図13は、金属系粒子集合体2〜4(基板に積層された状態)の吸光光度法により測定された吸光スペクトルである。吸光スペクトルの測定方法は図6の場合と同じである。金属系粒子集合体2〜4はいずれも、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が約0.4以上であり、強いプラズモン共鳴を示すことがわかる。よってこれらの金属系粒子集合体は、プラズモン材料、たとえば前述の分析用途や色材用途に適用することができる。さらには、たとえば発光素子の発光効率や光電変換素子の変換効率向上させるための増強要素としても使用し得る。
(2) Absorption spectrum measurement of metal-based particle assemblies 2 to 4 FIG. 13 is an absorption spectrum measured by absorptiometry of metal-based particle assemblies 2 to 4 (in a state of being stacked on a substrate). The method for measuring the absorption spectrum is the same as in FIG. It can be seen that all of the metal-based particle assemblies 2 to 4 have strong plasmon resonance because the absorbance at the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region is about 0.4 or more. Therefore, these metal-based particle aggregates can be applied to plasmon materials, for example, the aforementioned analytical use and color material use. Furthermore, for example, it can be used as an enhancement element for improving the light emission efficiency of the light emitting element and the conversion efficiency of the photoelectric conversion element.

また、図13の吸光スペクトルから、塗布液中の銀ナノ粒子濃度、ひいては熱処理前の銀膜の平均厚みを調整することにより、プラズモンピークの極大波長を広範囲にわたって制御できることがわかる。プラズモンピークの極大波長を所望の波長に制御できることは、たとえば色材用途では所望の用途に合わせた色調を得ることができる点で有用であり、分析用途では分析対象に合わせた波長調整を行なえ、これにより高感度の分析を実現できる点で有用である。   Moreover, it can be seen from the absorption spectrum of FIG. 13 that the maximum wavelength of the plasmon peak can be controlled over a wide range by adjusting the silver nanoparticle concentration in the coating solution, and thus the average thickness of the silver film before the heat treatment. The ability to control the maximum wavelength of the plasmon peak to a desired wavelength is useful, for example, in that a color tone adapted to a desired application can be obtained in a color material application, and in an analytical application, wavelength adjustment can be performed according to an analysis target, This is useful in that a highly sensitive analysis can be realized.

<実施例5−1>
実施例1と同じ方法で、0.5mm厚のソーダガラス基板上に金属系粒子集合体1−2を形成した。その後直ちに、SOG(スピンオングラス)溶液を金属系粒子集合体1−2上にスピンコートして、平均厚み10nmの絶縁層を積層した。SOG溶液には、有機系SOG材料である東京応化工業株式会社製「OCD T−7 5500T」をエタノールで希釈したものを用いた。ここでいう「平均厚み」とは、金属系粒子集合体上に形成するときと同じ条件で(同じ面積に、同じ組成の塗布液を同じ塗布量で)、ソーダガラス基板上に直接スピンコートしたときの、任意の5点における厚みの平均値である。
<Example 5-1>
In the same manner as in Example 1, a metal particle aggregate 1-2 was formed on a 0.5 mm thick soda glass substrate. Immediately thereafter, an SOG (spin-on-glass) solution was spin-coated on the metal-based particle aggregate 1-2, and an insulating layer having an average thickness of 10 nm was laminated. As the SOG solution, an organic SOG material “OCD T-7 5500T” manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. diluted with ethanol was used. The “average thickness” as used herein means that spin coating was directly performed on a soda glass substrate under the same conditions as when forming on a metal-based particle aggregate (same coating solution with the same composition in the same area). It is the average value of the thickness at arbitrary 5 points.

次に、絶縁層上にAlq3発光層用溶液をスピンコートして、平均厚み30nmのAlq3発光層を形成して、光励起発光素子を得た。Alq3発光層用溶液は、Alq3(シグマアルドリッチ社 Tris−(8−hydroxyquinoline)aluminum)を、濃度が0.5重量%となるようにクロロホルムに溶解して調製した。 Next, an Alq 3 light emitting layer solution was spin-coated on the insulating layer to form an Alq 3 light emitting layer having an average thickness of 30 nm to obtain a photoexcited light emitting device. The solution for the Alq 3 light-emitting layer was prepared by dissolving Alq 3 (Sigma-Aldrich Tris- (8-hydroxyquinoline) aluminum) in chloroform so that the concentration was 0.5 wt%.

<実施例5−2>
絶縁層の平均厚みを30nmとしたこと以外は実施例5−1と同様にして発光素子を得た。
<Example 5-2>
A light emitting device was obtained in the same manner as in Example 5-1, except that the average thickness of the insulating layer was 30 nm.

<実施例5−3>
絶縁層の平均厚みを80nmとしたこと以外は実施例5−1と同様にして発光素子を得た。
<Example 5-3>
A light emitting device was obtained in the same manner as in Example 5-1, except that the average thickness of the insulating layer was 80 nm.

<実施例5−4>
絶縁層の平均厚みを150nmとしたこと以外は実施例5−1と同様にして発光素子を得た。
<Example 5-4>
A light emitting device was obtained in the same manner as in Example 5-1, except that the average thickness of the insulating layer was 150 nm.

実施例5−1、5−2、5−3、5−4のそれぞれの光励起発光素子について、次のようにして発光増強の程度を評価した。光励起発光素子の発光スペクトルの測定系を示す図14(a)および光励起発光素子の断面模式図である図14(b)を参照して、光励起発光素子1の発光層2側に、発光層2の表面に対して垂直な方向から励起光3を照射することにより光励起発光素子1を発光させた。励起光源4にはUV−LED(サウスウォーカー社製 UV−LED375−nano、励起光波長375nm)を用い、励起光源4からの発光をレンズ5で集光して励起光3とし、これを照射した。励起光3の光軸に対して40°の方向に放射される光励起発光素子1からの発光6をレンズ7で集光し、励起光の波長の光をカットする波長カットフィルタ8(シグマ光機社製 SCF−50S−44Y)を通して、分光測定器9(大塚電子社製 MCPD−3000)により検出した。図14(b)は、ソーダガラスからなる基板100上に、金属系粒子集合体200、絶縁層300、発光層2をこの順に備える光励起発光素子1を示す断面模式図である。   For each of the photoexcited light emitting devices of Examples 5-1, 5-2, 5-3, and 5-4, the degree of light emission enhancement was evaluated as follows. Referring to FIG. 14 (a) showing a measurement system of the emission spectrum of the photoexcited light emitting device and FIG. 14 (b) which is a schematic sectional view of the photoexcited light emitting device, the light emitting layer 2 is formed on the light emitting layer 2 side of the photoexcited light emitting device 1. The photoexcited light-emitting element 1 was caused to emit light by irradiating the excitation light 3 from a direction perpendicular to the surface of the substrate. As the excitation light source 4, a UV-LED (South Walker UV-LED 375-nano, excitation light wavelength: 375 nm) was used, and the light emitted from the excitation light source 4 was condensed by the lens 5 to be excitation light 3, which was irradiated. . A wavelength cut filter 8 (sigma optical machine) that collects the light emission 6 from the optical excitation light emitting element 1 emitted in the direction of 40 ° with respect to the optical axis of the excitation light 3 by the lens 7 and cuts the light having the wavelength of the excitation light. Through SCF-50S-44Y (manufactured by Co., Ltd.), the spectrophotometer 9 (MCPD-3000 manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.) was used for detection. FIG. 14B is a schematic cross-sectional view showing the photoexcited light-emitting element 1 including a metal particle aggregate 200, an insulating layer 300, and a light emitting layer 2 in this order on a substrate 100 made of soda glass.

検出された発光のスペクトルについて発光波長領域における積分値を求めた。実施例5−1、5−2、5−3、5−4の光励起発光素子について測定した発光スペクトルから求めた積分値を、基準となる参照光励起発光素子(金属系粒子集合体および絶縁層を有しないこと以外は実施例5−1〜5−4と同じ光励起発光素子である。)について測定した発光スペクトルから求めた積分値で除した値を「発光増強倍率」とし、これを縦軸としたグラフを図15に示した。   The integrated value in the emission wavelength region was determined for the detected emission spectrum. The integrated value calculated | required from the emission spectrum measured about the optical excitation light emitting element of Example 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 was used as the reference | standard reference light excitation light emitting element (a metal particle aggregate and an insulating layer). The light-excited light-emitting elements are the same as those in Examples 5-1 to 5-4 except that they are not included.) The value obtained by dividing the integrated value obtained from the measured emission spectrum is referred to as “emission enhancement magnification”. The obtained graph is shown in FIG.

<実施例6>
銀ナノ粒子水分散液(三菱製紙社製、銀ナノ粒子濃度:25重量%、銀ナノ粒子の平均粒径:15nm)を純水で、銀ナノ粒子濃度が2重量%となるように希釈した。次いで、この希釈された銀ナノ粒子水分散液に対して1体積%の界面活性剤を添加して良く攪拌した後、得られた銀ナノ粒子水分散液に対して80体積%のアセトンを添加して常温で十分撹拌し、塗布液を調製した。この塗布液中の銀ナノ粒子濃度は1.2重量%である。
<Example 6>
A silver nanoparticle aqueous dispersion (manufactured by Mitsubishi Paper Industries, Ltd., silver nanoparticle concentration: 25% by weight, silver nanoparticle average particle size: 15 nm) was diluted with pure water so that the silver nanoparticle concentration was 2% by weight. . Next, after adding 1% by volume of the surfactant to the diluted silver nanoparticle aqueous dispersion and stirring well, 80% by volume of acetone was added to the obtained silver nanoparticle aqueous dispersion. The mixture was sufficiently stirred at room temperature to prepare a coating solution. The silver nanoparticle density | concentration in this coating liquid is 1.2 weight%.

次に、表面をアセトン拭きした1mm厚のソーダガラス基板上に上記塗布液を1500rpmでスピンコートした後、そのまま大気中で1分間放置した。得られた銀膜の平均厚みは18.0nmであった。その後、銀膜が形成されたソーダガラス基板を285℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で5分間熱処理(焼成)を行ない、金属系粒子集合体6を得た。   Next, the coating solution was spin-coated at 1500 rpm on a 1 mm thick soda glass substrate whose surface was wiped with acetone, and then left in the atmosphere for 1 minute. The average thickness of the obtained silver film was 18.0 nm. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver film was formed was placed in an electric furnace at 285 ° C., and was subjected to heat treatment (firing) for 5 minutes in an air atmosphere to obtain a metal-based particle aggregate 6.

<実施例7>
1mm厚のソーダガラス基板上に、圧力2×10-3Paでの真空蒸着により銀蒸着膜を形成した。得られた銀蒸着膜の平均厚みは15.0nmであった。その後、銀蒸着膜が形成されたソーダガラス基板を350℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で5分間熱処理(焼成)を行ない、金属系粒子集合体7を得た。
<Example 7>
A silver deposition film was formed on a 1 mm thick soda glass substrate by vacuum deposition at a pressure of 2 × 10 −3 Pa. The average thickness of the obtained silver vapor deposition film was 15.0 nm. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver deposited film was formed was placed in an electric furnace at 350 ° C., and was subjected to heat treatment (firing) for 5 minutes in an air atmosphere to obtain a metal-based particle aggregate 7.

図16および図17はそれぞれ実施例6、7で得られた金属系粒子集合体6、7を示すAFM画像である。また、図18は、金属系粒子集合体6および7(基板に積層された状態)の吸光光度法により測定された吸光スペクトルである。吸光スペクトルの測定方法は図6の場合と同じである。図18に示されるように、金属系粒子集合体6および7はいずれも、可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が約0.6以上であり、強いプラズモン共鳴を示すことがわかる。よってこれらの金属系粒子集合体は、プラズモン材料、たとえば発光素子の発光効率や光電変換素子の変換効率向上させるための増強要素として使用することが可能である。また、金属系膜の平均厚みが30nm程度以下である場合には、比較的低温領域での熱処理であっても、強いプラズモンピークを示す(高いプラズモン共鳴効果を示す)金属系粒子集合体を得ることが可能であることがわかった。   16 and 17 are AFM images showing the metal-based particle aggregates 6 and 7 obtained in Examples 6 and 7, respectively. FIG. 18 is an absorption spectrum measured by the absorptiometry of the metal-based particle aggregates 6 and 7 (in a state of being stacked on the substrate). The method for measuring the absorption spectrum is the same as in FIG. As shown in FIG. 18, both of the metal-based particle assemblies 6 and 7 have an absorbance at the maximum wavelength of the plasmon peak on the longest wavelength side in the visible light region of about 0.6 or more, and exhibit strong plasmon resonance. You can see that Therefore, these metal-based particle aggregates can be used as a plasmon material, for example, an enhancement element for improving the light emission efficiency of the light emitting element and the conversion efficiency of the photoelectric conversion element. In addition, when the average thickness of the metal film is about 30 nm or less, a metal particle aggregate exhibiting a strong plasmon peak (showing a high plasmon resonance effect) is obtained even by heat treatment in a relatively low temperature region. It turns out that it is possible.

<比較例1〜2>
1mm厚のソーダガラス基板上に、圧力2×10-3Paでの真空蒸着により銀蒸着膜を形成した。得られた銀蒸着膜の平均厚みは56.0nmであった。その後、銀蒸着膜が形成されたソーダガラス基板を300℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で5分間熱処理(焼成)を行ない、銀膜H1を得た(比較例1)。
<Comparative Examples 1-2>
A silver deposition film was formed on a 1 mm thick soda glass substrate by vacuum deposition at a pressure of 2 × 10 −3 Pa. The average thickness of the obtained silver vapor deposition film was 56.0 nm. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver deposited film was formed was placed in an electric furnace at 300 ° C., and was subjected to heat treatment (firing) for 5 minutes in an air atmosphere to obtain a silver film H1 (Comparative Example 1).

また、蒸着条件を調整して、銀蒸着膜の平均厚みを71.0nmとしたこと以外は比較例1と同様にして銀膜H2を得た(比較例2)。   Further, a silver film H2 was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the deposition conditions were adjusted and the average thickness of the silver deposited film was 71.0 nm (Comparative Example 2).

図19〜20はそれぞれ比較例1および2で得られた銀膜H1、H2を示すAFM画像である。また、図21は、銀膜H1、H2(基板に積層された状態)の吸光光度法により測定された吸光スペクトルである。吸光スペクトルの測定方法は図6の場合と同じである。図19および図20に示されるように、熱処理前の金属系膜の平均厚みが50nmを超える場合には、少なくとも部分的に、金属系粒子集合体へ形態変化されないことがわかった。   19 to 20 are AFM images showing the silver films H1 and H2 obtained in Comparative Examples 1 and 2, respectively. FIG. 21 is an absorption spectrum measured by an absorptiometry of the silver films H1 and H2 (in a state of being stacked on the substrate). The method for measuring the absorption spectrum is the same as in FIG. As shown in FIGS. 19 and 20, it was found that when the average thickness of the metal-based film before the heat treatment exceeds 50 nm, at least partially, the shape is not changed into the metal-based particle aggregate.

<実施例8および比較例3>
1mm厚のソーダガラス基板上に、圧力2×10-3Paでの真空蒸着により銀蒸着膜を形成した。得られた銀蒸着膜の平均厚みは39.0nmであった。その後、銀蒸着膜が形成されたソーダガラス基板を500℃の電気炉内に入れ、空気雰囲気下で5分間熱処理(焼成)を行ない、金属系粒子集合体8を得た(実施例8)。また、蒸着条件を調整して、銀蒸着膜の平均厚みを56.0nmとしたこと以外は実施例8と同様にして銀膜H3を得た(比較例3)。
<Example 8 and Comparative Example 3>
A silver deposition film was formed on a 1 mm thick soda glass substrate by vacuum deposition at a pressure of 2 × 10 −3 Pa. The average thickness of the obtained silver vapor deposition film was 39.0 nm. Thereafter, the soda glass substrate on which the silver deposited film was formed was placed in an electric furnace at 500 ° C., and was subjected to heat treatment (firing) for 5 minutes in an air atmosphere to obtain a metal-based particle aggregate 8 (Example 8). Further, a silver film H3 was obtained in the same manner as in Example 8 except that the deposition conditions were adjusted so that the average thickness of the silver deposited film was 56.0 nm (Comparative Example 3).

図22〜23はそれぞれ実施例8、比較例3で得られた金属系粒子集合体8、銀膜H3を示すAFM画像である。また、図24は、金属系粒子集合体8、銀膜H3(基板に積層された状態)の吸光光度法により測定された吸光スペクトルである。吸光スペクトルの測定方法は図6の場合と同じである。図23に示されるように、熱処理前の金属系膜の平均厚みが50nmを超える場合には、高温領域での熱処理であっても、少なくとも部分的に、金属系粒子集合体へ形態変化されないことがわかった。また、図22のAFM画像および図24の吸光スペクトルから、熱処理前の金属系膜の平均厚みが30nmを超える場合であっても50nm以下である場合には、高温領域での熱処理によって強いプラズモン共鳴効果を示す金属系粒子集合体が得られることがわかった。   22 to 23 are AFM images showing the metal-based particle aggregate 8 and the silver film H3 obtained in Example 8 and Comparative Example 3, respectively. FIG. 24 is an absorption spectrum of the metal-based particle aggregate 8 and the silver film H3 (in a state of being laminated on the substrate) measured by an absorptiometry. The method for measuring the absorption spectrum is the same as in FIG. As shown in FIG. 23, when the average thickness of the metal-based film before the heat treatment exceeds 50 nm, even if the heat treatment in the high-temperature region, the shape is not changed at least partially into the metal-based particle aggregate. I understood. Further, from the AFM image of FIG. 22 and the absorption spectrum of FIG. 24, when the average thickness of the metal-based film before heat treatment exceeds 30 nm but is 50 nm or less, strong plasmon resonance is caused by heat treatment in a high temperature region. It turned out that the metal type particle | grain aggregate which shows an effect is obtained.

1 光励起発光素子、2 発光層、3 励起光、5,7 レンズ、4 励起光源、6 光励起発光素子からの発光、8 波長カットフィルタ、9 分光測定器、100 基板、200 金属系粒子集合体、201 金属系粒子、250 金属系膜、255 熱分解した金属系膜の表面領域、300 絶縁層、400 レジスト、401 円形開口、410 銀膜、500 金属系粒子集合体積層基板、501 基板、502 金属系粒子集合体、600 対物レンズ、700 分光光度計。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photoexcitation light emitting element, 2 Light emitting layer, 3 Excitation light, 5,7 lens, 4 Excitation light source, 6 Light emission from photoexcitation light emitting element, 8 Wavelength cut filter, 9 Spectrometer, 100 Substrate, 200 Metal particle aggregate, 201 metal-based particles, 250 metal-based film, 255 surface region of pyrolyzed metal-based film, 300 insulating layer, 400 resist, 401 circular opening, 410 silver film, 500 metal-based particle assembly laminated substrate, 501 substrate, 502 metal System particle assembly, 600 objective lens, 700 spectrophotometer.

Claims (8)

平均厚みが50nm以下である金属系膜を基板上に形成する金属系膜形成工程と、
酸化雰囲気下での熱処理によって前記金属系膜を、複数の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されてなる金属系粒子集合体へ形態変化させる金属系粒子集合体形成工程と、を含み、
前記金属系膜形成工程は、蒸着法、スパッタリング法、または、メッキ法によって前記金属系膜を前記基板上に形成する工程を含み、
前記金属系膜を構成する金属系材料は、貴金属、アルミニウム、もしくは、タンタル、または、これらのいずれかを含有する合金である、金属系粒子集合体の製造方法。
A metal-based film forming step of forming a metal-based film having an average thickness of 50 nm or less on a substrate;
A metal-based particle assembly forming step of changing the shape of the metal-based film into a metal-based particle assembly in which a plurality of metal-based particles are two-dimensionally arranged apart from each other by heat treatment in an oxidizing atmosphere ; Including
The metal-based film forming step includes a step of forming the metal-based film on the substrate by a vapor deposition method, a sputtering method, or a plating method,
The method for producing a metal-based particle assembly, wherein the metal-based material constituting the metal-based film is a noble metal, aluminum, tantalum, or an alloy containing any of these.
前記熱処理の温度が280℃以上である請求項1に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   The method for producing a metal-based particle assembly according to claim 1, wherein the temperature of the heat treatment is 280 ° C or higher. 前記金属系膜形成工程と、これに続く前記金属系粒子集合体形成工程とを含む一連の工程を2回以上繰り返して行なう請求項1または2に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   The method for producing a metal-based particle assembly according to claim 1 or 2, wherein a series of steps including the metal-based film forming step and the subsequent metal-based particle assembly forming step are repeated twice or more. 前記金属系粒子集合体は、30個以上の前記金属系粒子を含み、
前記金属系粒子は、その平均粒径が200〜1600nmの範囲内、平均高さが55〜500nmの範囲内、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が1〜8の範囲内にあり、かつ、その隣り合う金属系粒子との平均距離が1〜150nmの範囲内となるように配置されている請求項1〜3のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。
The metal particle aggregate includes 30 or more metal particles.
The metal-based particles have an average particle diameter in the range of 200 to 1600 nm, an average height in the range of 55 to 500 nm, and an aspect ratio defined by a ratio of the average particle diameter to the average height of 1 to 8 The metal-based particle assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal-based particle assembly is disposed so that an average distance between the adjacent metal-based particles is within a range of 1 to 150 nm. Production method.
前記金属系粒子集合体は、30個以上の前記金属系粒子を含み、
前記金属系粒子は、その平均粒径が200〜1600nmの範囲内、平均高さが55〜500nmの範囲内、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が1〜8の範囲内にあり、
前記金属系粒子集合体は、可視光領域における吸光スペクトルにおいて、前記平均粒径と同じ粒径、前記平均高さと同じ高さおよび同じ材質からなる金属系粒子を、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した参照金属系粒子集合体と比べて、最も長波長側にあるピークの極大波長が30〜500nmの範囲で短波長側にシフトしている請求項1〜3のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。
The metal particle aggregate includes 30 or more metal particles.
The metal-based particles have an average particle diameter in the range of 200 to 1600 nm, an average height in the range of 55 to 500 nm, and an aspect ratio defined by a ratio of the average particle diameter to the average height of 1 to 8 In the range of
In the absorption spectrum in the visible light region, the metal-based particle aggregate is a metal particle composed of the same particle size, the same height as the average height, and the same material as the average particle diameter. 2. The peak maximum wavelength on the longest wavelength side is shifted to the short wavelength side in the range of 30 to 500 nm as compared with the reference metal-based particle aggregate arranged to be in the range of 1 to 2 μm. The manufacturing method of the metal type particle aggregate in any one of -3.
前記金属系粒子集合体は、30個以上の前記金属系粒子を含み、
前記金属系粒子は、その平均粒径が200〜1600nmの範囲内、平均高さが55〜500nmの範囲内、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が1〜8の範囲内にあり、
前記金属系粒子集合体は、可視光領域における吸光スペクトルにおいて、前記平均粒径と同じ粒径、前記平均高さと同じ高さおよび同じ材質からなる金属系粒子を、金属系粒子間の距離がすべて1〜2μmの範囲内となるように配置した参照金属系粒子集合体よりも、同じ金属系粒子数での比較において、最も長波長側にあるピークの極大波長における吸光度が高い請求項1〜3のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。
The metal particle aggregate includes 30 or more metal particles.
The metal-based particles have an average particle diameter in the range of 200 to 1600 nm, an average height in the range of 55 to 500 nm, and an aspect ratio defined by a ratio of the average particle diameter to the average height of 1 to 8 In the range of
In the absorption spectrum in the visible light region, the metal-based particle aggregate is a metal particle composed of the same particle size, the same height as the average height, and the same material as the average particle diameter. The absorbance at the maximum wavelength of the peak on the longest wavelength side is higher in comparison with the same number of metal-based particles than the reference metal-based particle aggregate disposed so as to fall within the range of 1 to 2 µm. A method for producing a metal-based particle assembly according to any one of the above.
前記金属系粒子が貴金属からなる請求項1〜6のいずれかに記載の金属系粒子集合体の製造方法。   The method for producing a metal-based particle assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal-based particles are made of a noble metal. 前記金属系粒子が銀からなる請求項7に記載の金属系粒子集合体の製造方法。   The method for producing a metal-based particle assembly according to claim 7, wherein the metal-based particles are made of silver.
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